复旦大学 Xuebin Yu课题组---空间隔离启发的超细CoSe2用于改善铝电池的倍率和循环性能

过渡金属硒化物因其高比容量、优异的电性能和低成本而成为可充电铝电池 (RAB) 的有吸引力的正极材料。为了克服结构稳定性低和反应动力学差的相关挑战，在此，研究人员应用空间隔离策略来开发 RAB 正极，该正极包含嵌入氮掺杂多孔碳纳米片(NPCS)/MXene 杂化材料中的超细CoSe₂颗粒；其中二维NPCS结构源自MXene表面金属框架的自组装。即使在高热解温度下，这种合成策略也能控制活性材料的粒径，从而可以研究粒径对电化学行为的影响。光谱分析表明，CoSe₂-NPCS 电极具有高放电容量（1 A g^-1时为436 mAh g^-1）、优异的倍率性能（5 A g^-1时为122 mA hg^-1）和长期循环稳定性（1 A g^-1下循环500次后为212 mAh g^-1）。关于不同N掺杂位点的Co吸附亲和力的理论计算阐明了 N-C/MXene 杂化物在该系统中协同促进反应动力学和Co吸附行为。这项工作为设计具有高倍率稳定性的高能RAB电极提供了一种有效的方法。

Figure 1. CoSe₂-NC、CoSe₂-NPC、CoSe₂-NPCS和CoSe₂-NCS的合成步骤示意图。

Figure 2. CoSe₂-NPCS的形貌和结构特征。(a-c)不同放大倍数下的FESEM图。(d，e)不同放大倍数下的TEM图（(d)中的插图显示了CoSe₂的粒度分布）。(f)HRTEM图（插图显示CoSe₂和GC层的HRTEM图）。(g-j)CoSe₂-NC、(h-k)CoSe₂-NCS和(i-l)CoSe₂-NPC的TEM图和其中CoSe₂的相应粒径分布。

Figure 3. 结构和化学信息。(a)CoSe₂-NC、CoSe₂-NPC和CoSe₂-NPCS的XRD图谱。(b)CoSe₂-NC、CoSe₂-NPC和CoSe₂-NPCS的氮吸附/解吸附等温线和(c)孔径分布曲线。CoSe₂-NPCS的(d)Co 2p、(e)Se 3d、(f)C 1s、(g)O 1s、(h)N 1s的高分辨率XPS谱图。(i)不同类型的N掺杂碳的示意图。(j-q)CoSe₂-NPCS的HRTEM图以及C、Se、O、N、Ti和Co的相应元素映射。

Figure 4. CoSe₂-NPCS、CoSe₂-NCS和CoSe₂-NC的电化学性能。(a)扫描速率为10 mV s^-1时的CV曲线。(b)电流密度为1.0 A g^-1时的充放电曲线。(c)在不同电流密度下的性能。(d)CoSe₂-NPCS、CoSe₂-NCS和CoSe₂-NC在 1.0 A g^-1电流密度下的长期循环稳定性。(e)CoSe₂-NPCS电极与大多数先前报道的各种类型RABs正极的性能比较。(f)电池的性能比较。

Figure 5. (a)CoSe₂-NPCS在2到10 mV s-¹的不同扫描速率下的CV曲线。(b)log(v)和log(i)的线性关系。(c)CoSe₂-NPCS在8 mV s^-1处计算的电容贡献。(d)CoSe₂-NPCS不同扫描速率下电容贡献的总结。(e)CoSe₂-NPCS、CoSe₂-NCS和CoSe₂-NC在0.01 V下的阻抗图。(f)ω^-1/2与Z的线性关系。(g-i)CoSe₂@C、CoSe₂@C-N5和CoSe₂@C-N6的优化几何构象模型和相应的结合能(Eb)，分别为（灰色，C；蓝色，N；粉红色，Co）。

Figure 6. ：(a-c)Co@C,Co@C-N5,Co@C-N6的优化几何构象模型和相应的结合能(Eb)。(d-f)Co@C/MXene、Co@C-N5/MXene和Co@C-N6/MXene的优化几何构象模型和相应的结合能(Eb)。(g)吸附能(ΔEb)计算值。(h)CoSe₂-NPCS样品控制Co的机制。(i)CoSe₂-NPCS样品的循环电极的SEM图和(j-o)相应的映射图。

相关研究成果由复旦大学 Xuebin Yu课题组于2021年发表在《ACS NANO》（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04895）上。原文：Spatial Isolation-Inspired Ultrafine CoSe₂ for High-Energy Aluminum Batteries with Improved Rate Cyclability。