摘要
锂硫电池具有高的理论容量和能量密度，是极具潜力的能量存储体系。然而，许多关键性问题，尤其是中间产物多硫化锂的溶解和穿梭及其缓慢的转化动力学，严重限制着锂硫电池的实际应用。使用催化材料加速正极的氧化还原反应能够提高活性物质的利用率并改善电池的循环稳定性，发展高效的正极催化材料已成为锂硫电池领域的研究热点。金属碲化物具有良好的导电性，并在氧还原/析出等反应中显示出了优异的电催化性能，是潜在的锂硫电池催化材料。本论文制备了多种金属碲化物催化材料，研究其对锂硫电池电化学性能的改善效果。 采用溶剂热方法制备Bi2Te3催化材料，研究其对锂硫电池电化学性能的影响。所制备的Bi2Te3催化材料具有纳米花形貌，由超薄纳米片组装而成。X射线光电子能谱测试和第一性原理计算结果表明，Bi2Te3能够与多硫化锂形成Bi-S键和Te-Li键，以化学键合的方式吸附可溶性多硫化锂。电化学测试结果显示，Bi2Te3催化材料能够同时加速正极的充电过程和放电过程，降低电池充放电过程中的极化。第一性原理计算结果揭示，Li2S在Bi2Te3表面的分解能垒仅为0.86eV，显著低于在石墨烯表面的分解能垒（1.88eV），证实Bi2Te3对正极充电反应具有催化功能。同时，研究发现Bi2Te3与表面吸附的多硫化锂之间能够发生快速的电荷转移，有利于实现对多硫化锂转化反应的高效催化。本研究证明了Bi2Te3催化材料用于锂硫电池的可行性。 以ZIF-67为前驱体制备CoTe2基催化材料，研究其对锂硫电池电化学性能的影响。研究显示，在所制备的催化材料中，CoTe2纳米颗粒均匀地负载在空心多孔碳球上。以相同的ZIF-67前驱体制备金属Co基催化材料进行性能对比，测试结果显示，同金属Co相比，CoTe2对多硫化锂转化反应具有更高的催化活性。谱学实验和分子动力学模拟结果表明，硫与金属Co表面接触后会解离成S原子，这些S原子牢固吸附在金属Co表面，遮蔽了高活性的Co原子位点，即金属Co会发生硫毒化现象。第一性原理计算结果揭示，金属Co易被硫毒化的原因是其表面对S原子吸附过强且吸附位点之间的距离与S-S键键长不匹配。与之相比，CoTe2表面对S原子具有适中的结合能，既能够避免被硫毒化，又能够与多硫化锂发生化学相互作用，因而用于锂硫电池时能够加速多硫化锂的转化反应，从而抑制穿梭效应，电池在1000次循环测试过程中的平均容量衰减率为0.030%。此外，分子动力学模拟结果显示，NiTe2和FeTe2也具有抵抗硫毒化的能力，而对应的金属Ni和金属Fe均易被硫毒化。 采用水热结合氨气气氛热处理的方式制备N掺杂CoTe2催化材料。研究显示，随着热处理时间的延长，材料中N含量逐渐增加，催化活性随之提高，但过长的热处理时间将导致材料中形成金属Co，催化活性降低。实验结果证实，N掺杂能够增强材料的亲锂性，同时降低CoTe2中Co原子的电荷密度，增强其亲电性，因而N掺杂CoTe2中的Co原子更易于结合多硫化锂中具有孤对电子的S原子。同时，研究发现，N掺杂CoTe2中的Co原子更倾向于同多硫化锂中的端位硫结合，这是因为端位硫比桥位硫具有更强的亲核性。第一性原理计算结果显示，N掺杂提高了CoTe2对多硫化锂的吸附能，使其能够更有效地抑制穿梭效应，从而增强电池的循环稳定性。测试结果显示，应用N掺杂CoTe2催化材料的锂硫电池具有优异的电化学性能，在4C的电流密度下仍能够表现出758mAhg-1的高放电容量。而且，电池能够稳定循环1000次，平均每次循环的容量衰减率仅为0.021%。将硫负载量提升至6.8mgcm-2，电池显示出6.4mAhcm-2的高面容量，并能够稳定循环100次。
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