羅　雯　黃　磊　關(guān)豆豆　賀汝涵　李　楓　麥立強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070)

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空心碳球負(fù)載二硫化硒復(fù)合材料作為鋰離子電池正極材料

羅雯黃磊關(guān)豆豆賀汝涵李楓麥立強(qiáng)*

(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070)

制備了一種空心碳球負(fù)載二硫化硒(SeS2@HCS)復(fù)合材料作為鋰離子電池正極材料。通過掃描電子顯微鏡(SEM)，X射線衍射(XRD)以及氮?dú)馕摳綔y(cè)試(BET)等對(duì)產(chǎn)物形貌、組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用模板法結(jié)合化學(xué)聚合法可以合成形貌均一、單分散的空心碳球；其直徑約為500 nm，壁厚約為30 nm。進(jìn)一步采用熔融灌入法可以得到空心碳球負(fù)載二硫化硒復(fù)合材料。將所制備復(fù)合材料組裝成電池進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，與原始二硫化硒塊體材料相比，SeS2@HCS復(fù)合材料具有更高的初始容量(100 mA·g－1電流密度下，初始放電容量為956 mAh·g－1)和更長的循環(huán)壽命(100 mA·g－1電流密度下，循環(huán)200圈)，同時(shí)顯示出更優(yōu)異的倍率性能。研究結(jié)果表明該復(fù)合材料是一種具有應(yīng)用前景的新型鋰離子電池正極材料。

二硫化硒；空心碳球；大孔容；鋰離子電池；正極材料

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1　引言

高能量密度鋰離子電池因其在電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)和各種儲(chǔ)能器件中具有應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注1,2。目前，限制鋰離子電池能量密度進(jìn)一步提高的主要因素取決于正極材料3,4。因此，實(shí)現(xiàn)電池的高能量密度化，開發(fā)高比容量、長壽命和良好穩(wěn)定性的正極材料已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

近年來，一種以金屬鋰為負(fù)極，單質(zhì)硫或硫基材料為正極的鋰硫電池被認(rèn)為是當(dāng)前最具研究吸引力的二次電池體系之一。因其高理論比容量(1675 mAh·g－1)、高能量密度(2600 Wh·kg－1)和硫元素的無毒性、低廉性，鋰硫電池或?qū)⒊蔀橄乱淮哂袕V闊發(fā)展前景的能量存儲(chǔ)器件5,6。但是，硫正極材料的絕緣性和中間產(chǎn)物多硫化物的溶解產(chǎn)生的穿梭效應(yīng)(shuttle mechanism)，導(dǎo)致了有限的循環(huán)壽命和電池容量的快速衰減。大量研究表明，引入導(dǎo)電碳基材料是一種高效的解決策略來限制多硫化物的擴(kuò)散，同時(shí)改善電極的導(dǎo)電性7－9。近來，硒作為硫的同族元素，因其更高的電導(dǎo)率和高的體積比容量被研究者作為一種新型的鋰離子電池正極材料10。與硫相比，雖然硒具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性，但其理論比容量(480 mAh·g－1)較低。因此，開發(fā)一種結(jié)合硫和硒各自優(yōu)勢(shì)的新型電極材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2012年，Amine等11,12首次提出將二硫化硒(SeS2)作為鋰離子電池正極材料，并深入研究了其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。隨著硫元素在硫硒化合物中的化學(xué)計(jì)量數(shù)升高，其比容量會(huì)得到提升，但是其循環(huán)穩(wěn)定性隨之變差。在權(quán)衡比容量、循環(huán)壽命和庫侖效率等因素之后，二硫化硒(理論放電比容量為1125 mAh·g－1)被認(rèn)為是一種很有前景的鋰離子電池正極材料。Wang等13通過混合退火的方法制備了一種多硫化硒/碳化聚丙烯腈復(fù)合材料(SeSx/ CPAN)，采用低成本的碳酸鹽基電解液，在600 mA·g－1電流密度下，循環(huán)1200圈后容量仍有780 mAh·g－1。表明多孔碳基體系可以有效地限制多硫化物的溶解，減小界面電阻，提高電極材料的電化學(xué)性能。Qian等14進(jìn)一步探索了硫正極材料中少量硒的添加對(duì)鋰硫電池性能的影響。他們制備出的無定形碳基富硫復(fù)合材料(S0.94Se0.06/C)顯示出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1 A·g－1電流密度下循環(huán)500圈后，容量仍保持在910 mAh·g－1。

由于二硫化硒和硫、硒具有相似的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，本文擬采用一種納米級(jí)空心碳球(nanosized hollow carbon sphere，簡寫為HCS)作為碳基材料來進(jìn)行復(fù)合改性，以期解決二硫化硒在充放電過程中較差的導(dǎo)電性和多硫化物的擴(kuò)散問題。納米級(jí)空心碳球具有大的比表面積、大的空腔體積、較短的離子擴(kuò)散路徑和良好的導(dǎo)電性，可以有效改善電極材料的電化學(xué)性能15－18。在充放電過程中，一方面，具有較大空腔的空心碳球可以負(fù)載較高含量的活性物質(zhì)，提高電極材料的振實(shí)密度和利用率19；另一方面，多硫化物等中間產(chǎn)物會(huì)被束縛在空心碳球腔體內(nèi)，達(dá)到抑制穿梭效應(yīng)的目的20,21；此外，導(dǎo)電良好的碳球外殼，會(huì)明顯提高電極材料的導(dǎo)電性，改善電極材料的電化學(xué)性能。

因此，本文將納米空心碳球和二硫化硒進(jìn)行復(fù)合，對(duì)該復(fù)合電極材料進(jìn)行研究?？招奶记虻闹苽洳捎媚０宸?，以二氧化硅作為硬模板，通過化學(xué)聚合法包覆高聚物后，在合適溫度下碳化，去模板后即可得到形貌均一的空心碳球22,23。二硫化硒活性材料的復(fù)合負(fù)載技術(shù)路線非常成熟，在文獻(xiàn)中大多采用混合加熱-熔融擴(kuò)散法(melting-diffusion method)15,16,24－26。最后，獲得空心碳球負(fù)載二硫化硒復(fù)合材料(簡寫為SeS2@HCS)，采用多種材料現(xiàn)代測(cè)試表征手段對(duì)該復(fù)合電極材料進(jìn)行表征，研究了該復(fù)合電極材料作為鋰離子電池正極材料的電化學(xué)性能。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1SeS2@HCS的制備

實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)藥品購置于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度為分析純；實(shí)驗(yàn)中所用的去離子水由Aquapro公司的分析型實(shí)驗(yàn)室純化水機(jī)提供。

2.1.1HCS的制備

將20 mL去離子水、60 mL無水乙醇和3 mL氨水(28%(w，質(zhì)量分?jǐn)?shù)))混合，加入0.4 g間苯二酚，攪拌至溶解。10 min后，加入2.8 mL正硅酸四乙酯持續(xù)攪拌。10 min后，加入0.56 mL甲醛(36%(w))，室溫?cái)嚢?4 h。隨后，將上述溶液轉(zhuǎn)移至100 mL高壓反應(yīng)釜內(nèi)，置于100°C烘箱內(nèi)，水熱反應(yīng)24 h。取出反應(yīng)釜后自然冷卻至室溫，離心分離，用去離子水洗滌3次，用無水乙醇洗滌3次后，置于70°C烘箱內(nèi)干燥6 h。將干燥后的橙紅色粉末研磨后，在真空管式爐氮?dú)夥諊校?00°C碳化5 h，升溫速率為5°C·min－1。得到黑色粉末，采用過量氫氟酸(20%(w))刻蝕2次，用去離子水洗滌2次后置于70°C烘箱內(nèi)干燥6 h，即得到黑色HCS粉末。

2.1.2SeS2@HCS的制備

二硫化硒負(fù)載于空心碳球內(nèi)采用混合加熱-熔融擴(kuò)散的方法。具體地，將質(zhì)量比為3:1的二硫化硒粉末和上述制備的空心碳球粉末混合后，在研缽內(nèi)充分研磨1 h。將混合粉末置于10 mL鐵氟龍反應(yīng)釜中，置于115°C烘箱內(nèi)保溫24 h，自然冷卻至室溫后，即得到黑色SeS2@HCS粉末。

2.2材料表征

材料的表征使用場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM，JEOL-7100F，日本生產(chǎn))，透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100F STEM/EDS，日本生產(chǎn))，X射線衍射儀(XRD，D8 Advance X-ray衍射儀，德國生產(chǎn)，采用Cu Kα輻射(λ=0.15418 nm))。拉曼(Raman)測(cè)試使用激光顯微拉曼光譜儀(Renishaw IN VIA，英國生產(chǎn))。氮?dú)馕摳綔y(cè)試使用比表面及孔徑分析儀(Tristar II 3020)。熱重(TG)分析使用綜合熱分析儀(Netzsch STA 449C，德國生產(chǎn))，測(cè)試條件為，在氮?dú)夥諊?，從室溫升溫?00°C，升溫速率10°C·min－1。

2.3電化學(xué)性能測(cè)試

將活性物質(zhì)(SeS2@HCS復(fù)合材料或原始SeS2塊體材料)、乙炔黑、粘結(jié)劑(聚偏氟乙烯，PVDF)以質(zhì)量比70:20:10混合后研磨充分，以N-甲基吡咯烷酮(NMP)為分散溶劑進(jìn)行分散，超聲1 h后，均勻地涂布于鋁箔上，70°C真空干燥24 h。采用壓片機(jī)，制備成直徑為1 cm的小圓片，電極物質(zhì)平均負(fù)載量約為1.5－2.0 mg·cm－2。以鋰片為參比電極和對(duì)電極，1 mol·L－1LiPF6/EC+DEC(體積比為1:1)為電解液，Celgard 2400為隔膜，組裝成CR 2016型扣式電池。在藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)(LAND CT2001A)上，采用工作電壓區(qū)間為0.8－4.0 V(vs Li/Li+)進(jìn)行充放電測(cè)試。在電化學(xué)工作站(CHI600E)上，采用掃描頻率100 kHz－0.01 Hz進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中比容量的計(jì)算基于活性物質(zhì)質(zhì)量。

3　結(jié)果與討論

圖1為合成的空心碳球的形貌表征。從其SEM 圖(圖1(a－c))中可以看出，所得產(chǎn)物為表面光滑的完整小球。球的直徑尺寸約為500 nm，小球單分散且尺度均一。從其TEM圖(圖1(d,e))可以明顯看出小球?yàn)榭招慕Y(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在經(jīng)過氫氟酸刻蝕后，模板二氧化硅已被完全除去，并且所得到的空心碳球結(jié)構(gòu)保持完整無坍塌。圖1f的高分辨TEM圖表明，納米空心球的壁厚約為30 nm。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有較大空腔的空心碳球，將會(huì)是一種理想的碳基載體。

圖1　空心碳球的(a －c)SEM圖和(d －f)TEM圖Fig.1　(a－c)SEM and(d －f)TEM images of hollow carbon spheres

將上述所制備的空心碳球作為碳基載體，與二硫化硒(SeS2)塊體材料進(jìn)行復(fù)合。圖2a是經(jīng)過充分研磨的SeS2和HCS混合物的SEM圖。從圖中可以看出，空心碳球周圍有尺寸在微米級(jí)以上、形狀不均一的原始SeS2塊體顆粒。在經(jīng)過混合加熱-熔融灌入方法將SeS2灌入HCS后，從其SEM圖(圖2b)清晰看到，碳球周圍沒有SeS2大顆粒，空心碳球結(jié)構(gòu)變成了實(shí)心結(jié)構(gòu)(圖 S1(Supporting Information))。在較高分辨率下進(jìn)一步觀測(cè)碳球(圖2c)，負(fù)載活性物質(zhì)的碳球和原始碳球相比，其尺寸大小和完整性保持良好，其表面變得較粗糙，這些可能是殘留的少量未被完全負(fù)載的SeS2活性物質(zhì)。此外，通過能譜測(cè)試，對(duì)所得復(fù)合材料進(jìn)行元素分布分析(圖2d)，碳球結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳元素分布和硫元素、硒元素分布重疊，表明SeS2活性物質(zhì)已均勻地分散在碳基空心結(jié)構(gòu)之中。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SeS2活性物質(zhì)已被完全負(fù)載在空心碳球內(nèi)部。

圖3(a)是SeS2@HCS復(fù)合材料等產(chǎn)物的XRD圖。對(duì)于原始SeS2塊體材料，其XRD圖譜具有SeS2特有的晶體衍射峰。對(duì)于空心碳球的XRD圖譜，可以明顯看到只有26°和46°兩處較寬的峰包，對(duì)應(yīng)無定形碳17。對(duì)獲得的SeS2@HCS進(jìn)行XRD分析，明顯發(fā)現(xiàn)原始SeS2材料的特征衍射峰已全部消失，只觀測(cè)到無定形碳的衍射峰，這是由于SeS2被包含在碳球內(nèi)部，其衍射峰被掩蓋，也證實(shí)了空心碳球?qū)钚晕镔|(zhì)SeS2較為強(qiáng)烈的限制作用。類似于XRD圖譜所得結(jié)果，在對(duì)SeS2@HCS進(jìn)行Raman測(cè)試表征時(shí)(圖3(b))，也同樣沒有觀測(cè)到SeS2的拉曼特征峰，只有兩個(gè)較寬的位于1350和1600 cm－1的拉曼特征峰，這兩處峰分別歸屬于碳的無序化石墨峰(D峰)和結(jié)晶化石墨峰(G峰)18。XRD和Raman表征進(jìn)一步證實(shí)SeS2被HCS限制在空心結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成了一種穩(wěn)定的無定形復(fù)合材料。

對(duì)SeS2@HCS和HCS的氮?dú)馕摳角€測(cè)試結(jié)果如圖3(c)所示，和原始的HCS(比表面積：422.9 m2·g－1；孔體積：0.74 cm3·g－1)相比，SeS2@HCS復(fù)合材料的比表面積(26.6 m2·g－1)和孔體積(0.06 cm3· g－1)急劇地減小。該測(cè)試結(jié)果證實(shí)，SeS2被成功地灌入在空心碳球中，并占據(jù)了空心體積。對(duì)SeS2@HCS復(fù)合材料的熱重分析結(jié)果如圖3(d)所示，在120°C左右的質(zhì)量損失為樣品表面的吸附水等，隨著溫度升高，隨后的質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)SeS2，測(cè)試結(jié)果表明負(fù)載于空心碳球中的SeS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.2%(w)。該結(jié)果與前述比表面積測(cè)試分析結(jié)果吻合，均證實(shí)了這種大孔容空心碳球可以實(shí)現(xiàn)較高的活性物質(zhì)負(fù)載量。

圖2　SEM圖及元素分布圖Fig.2　SEM images and elemental mapping images

圖3　(a)XRD圖，(b)拉曼譜圖，(c)氮?dú)馕摳降葴鼐€及(d)熱重曲線Fig.3　(a)XRD patterns,(b)Raman spectra,(c)N2adsorption-desorption isotherms,and(d)TG curve

為了研究SeS2@HCS復(fù)合材料的電化學(xué)性能，對(duì)所制備的復(fù)合材料組裝扣式鋰電池進(jìn)行如下電化學(xué)性能表征與測(cè)試，電位工作窗口為0.8－4.0 V。圖4(a)是SeS2@HCS復(fù)合材料在100 mA·g－1的電流密度下前三圈的充放電曲線。圖中表明，SeS2@HCS復(fù)合材料的首次放電容量和充電容量分別為956和930 mAh·g－1。第二圈和第三圈的放電容量分別為916.9和888.3 mAh·g－1，和第一圈相比僅有較小的衰減。此外，在2.18 V處有一個(gè)較短的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)于SeS2轉(zhuǎn)化成多硫化鋰/多硒化鋰(polysulfide/polyselenium)的過程27。在1.96 V有一個(gè)較長且平坦的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)于多硫化鋰/多硒化鋰轉(zhuǎn)化成Li2S和Li2Se的過程。作為對(duì)比研究，將原始SeS2塊體材料組裝扣式鋰電池進(jìn)行測(cè)試，如圖4(b)所示，原始SeS2塊體材料在100 mA·g－1的電流密度下，也具有兩個(gè)典型的特征放電平臺(tái)。其第一圈、第二圈和第三圈的放電容量分別為665.1、593.7和513.5 mAh·g－1，表現(xiàn)出較低的初始容量和容量保持率。此外，原始SeS2塊體材料充放電過程中過電勢(shì)很大，極化嚴(yán)重，這是由于電極較差的導(dǎo)電性所導(dǎo)致。為了深入探究SeS2@HCS復(fù)合材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)一步觀測(cè)隨后的第20、50和100圈充放電過程。如圖4(c)所示，在2.18 V處較短的平臺(tái)逐漸變得更長且更平坦，該原因是隨著SeS2活性物質(zhì)的逐步活化，SeS2向多硫化鋰/多硒化鋰的轉(zhuǎn)化更容易；同時(shí)，在1.96 V的平臺(tái)變得更短，說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，發(fā)生了不可逆的容量衰減，這可能是由于較長循環(huán)后，多硫化鋰/多硒化鋰等中間產(chǎn)物仍不可避免地會(huì)有部分溶解在電解液之中12。

圖4　電化學(xué)性能表征Fig.4　Characterization of electrochemical performance

圖4(d)是SeS2@HCS復(fù)合材料在200 mA·g－1的電流密度下的循環(huán)-容量-庫侖效率圖。從圖中可以看出，其首次放電容量和庫侖效率分別為733.3 mAh·g－1和95.8%。在第二圈后，隨后循環(huán)過程的庫侖效率接近維持在100%，顯示出電極材料高的庫侖效率。在50圈充放電循環(huán)后，SeS2@HCS復(fù)合材料放電容量仍有338.3 mAh·g－1，表明該復(fù)合材料具有良好的容量保持性。進(jìn)一步，對(duì)比研究了SeS2@HCS和原始SeS2塊體材料在更長充放電過程中的循環(huán)性能。如圖4(e)所示，當(dāng)以100 mA·g－1的電流密度進(jìn)行恒流充放電時(shí)，SeS2@HCS復(fù)合材料和原始SeS2塊體材料的首次放電容量分別為956 和664.5 mAh·g－1。循環(huán)200圈后，SeS2@HCS的容量仍有235.1 mAh·g－1，顯示出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，且循環(huán)過程中庫侖效率高(圖S2(Supporting Information))。而原始SeS2塊體材料在循環(huán)35圈之后容量只有11.7 mAh·g－1，并且隨后循環(huán)過程中，幾乎不能再提供有效容量，表明未經(jīng)修飾的原始SeS2塊體材料比容量低，循環(huán)壽命短，電化學(xué)性能非常不理想。

圖4(f)是SeS2@HCS復(fù)合材料和原始SeS2塊體材料在不同倍率下的循環(huán)性能圖。當(dāng)電流密度從100 mA·g－1逐漸遞增到4000 mA·g－1進(jìn)行倍率充放電時(shí)，SeS2@HCS復(fù)合材料的放電比容量從956.2 mAh·g－1衰減到452.9 mAh·g－1，仍能具有較高的比容量，且循環(huán)過程中該復(fù)合材料的庫侖效率高(圖S3(Supporting Information))。而原始SeS2塊體材料的放電比容量從717.9 mAh·g－1衰減到10.8 mAh· g－1。特別地，在4000 mA·g－1的高倍率下，原始SeS2塊體材料幾乎不提供電化學(xué)可逆容量，而在此電流密度下，SeS2@HCS復(fù)合材料的放電容量高達(dá)原始SeS2塊體材料放電容量的42倍。在電流密度重新恢復(fù)到200 mA·g－1時(shí)，SeS2@HCS復(fù)合材料的放電容量仍有584.4 mAh·g－1，容量保持率為84%(基于200 mA·g－1電流密度下，第10和31圈放電容量分別為695.3和584.4 mAh·g－1進(jìn)行計(jì)算)。以上測(cè)試結(jié)果表明SeS2@HCS復(fù)合材料具有優(yōu)異的倍率恢復(fù)性。

為了探究SeS2@HCS復(fù)合材料的電化學(xué)性能優(yōu)于原始SeS2塊體材料的原因，對(duì)電池進(jìn)行了電化學(xué)交流阻抗(EIS)的測(cè)試。如圖5所示，阻抗曲線均由高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的直線組成。半圓部分是由于電解液/電極界面的電荷傳遞反應(yīng)引起的阻抗，直線部分是由于離子在電極中的擴(kuò)散引起的阻抗。半圓半徑越小，對(duì)應(yīng)電阻越小；直線斜率越大，對(duì)應(yīng)擴(kuò)散越快13,14,28,29。從圖5可以看出，SeS2@HCS復(fù)合材料的界面接觸電阻遠(yuǎn)小于原始SeS2塊體材料。由于SeS2@HCS復(fù)合材料較低的電荷傳遞，保證了電荷能在電極材料中快速傳遞，因而明顯地改善了電極材料的電化學(xué)性能。

圖5　原始SeS2及SeS2@HCS的電化學(xué)阻抗圖Fig.5　Electrochemical impedance spectra of pristine SeS2and SeS2@HCS

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SeS2@HCS復(fù)合電極材料良好的電化學(xué)性能主要是由于以下三點(diǎn)：一是引入導(dǎo)電碳球的包覆，明顯減小了電極材料的界面接觸電阻，大大增強(qiáng)其導(dǎo)電性，減小了電極極化；二是空心碳球能負(fù)載并部分限制SeS2活性物質(zhì)于空腔內(nèi)，減少循環(huán)過程中多硫化物/多硒化物等中間產(chǎn)物的溶解，保證了較高的庫侖效率和良好的循環(huán)穩(wěn)定性；三是納米級(jí)SeS2@HCS復(fù)合材料和塊體SeS2材料相比，提高了鋰離子的嵌入反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和離子擴(kuò)散速度，加快了電化學(xué)反應(yīng)過程，因而能夠改善材料的電化學(xué)性能。

4　結(jié)論

本文通過模板法結(jié)合化學(xué)聚合法合成了單分散、納米級(jí)空心碳球，其直徑約為500 nm，壁厚約為30 nm；再通過混合加熱-熔融擴(kuò)散法，制備出空心碳球負(fù)載二硫化硒復(fù)合材料。將所制備的SeS2@HCS復(fù)合材料作為鋰離子電池正極材料，考察了其電化學(xué)性能。研究表明，在100 mA·g－1的電流密度下，SeS2@HCS復(fù)合材料的首次放電容量和充電容量分別為956和930 mAh·g－1。在循環(huán)200圈后，SeS2@HCS復(fù)合材料放電比容量仍有235.1 mAh·g－1，而原始SeS2塊體材料已幾乎不能提供電化學(xué)容量。特別地，SeS2@HCS復(fù)合材料在4000 mA·g－1的高倍率下，放電比容量能高達(dá)452.9 mAh·g－1，顯示出了良好的倍率性能。電化學(xué)交流阻抗測(cè)試表明納米空心碳球的引入，極大地減小了電極材料的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，使鋰離子在電化學(xué)反應(yīng)過程中的極化降低。因此，空心碳球負(fù)載二硫化硒復(fù)合材料有希望作為下一代新型的鋰離子電池正極材料。

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A Selenium Disulfide-Impregnated Hollow Carbon Sphere Composite as a Cathode Material for Lithium-Ion Batteries

LUO WenHUANG LeiGUAN Dou-DouHE Ru-HanLI FengMAI Li-Qiang*
(State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,P.R.China)

A selenium disulfide-impregnated hollow carbon sphere composite was prepared as the cathode material for lithium-ion batteries.The morphology,composition,and structure of the as-synthesized composite were characterized by scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD),and the Brunauer-Emmett-Teller(BET)technique.It was found that uniform monodispersive hollow carbon spheres can be synthesized by the template method combined with chemical polymerization.The diameter of the spheres is about 500 nm and the thickness of their wall is about 30 nm.Furthermore,a selenium disulfide-impregnated hollow carbon sphere composite can be achieved by the melting-diffusion method.The electrochemical performance of the as-synthesized composite as a cathode material for lithium-ion batteries was also investigated.Compared with the pristine bulk SeS2material,the SeS2@HCS composite exhibits higher initial discharge capacity(956 mAh· g－1at a current density of 100 mA·g－1),longer cycle life(200 cycles at a current density of 100 mA·g－1),and better rate performance.The results indicate that this composite can be considered as a promising candidate for the cathode material of lithium-ion batteries.

Selenium disulfide;Hollow carbon sphere;Large pore volume;Lithium-ion battery; Cathode material

February 29,2016;Revised:May 3,2016;Published on Web:May 3,2016.

O646

10.3866/PKU.WHXB201605032

*Corresponding author.Email:mlq518@whut.edu.cn;Tel:+86-27-87467595.

The project was supported by the International Science&Technology Cooperation Program of China(2013DFA50840),National Natural Science

Foundation for Distinguished Young Scholars of China(51425204)and National Key Basic Research Program of China(973)(2013CB934103).

國家國際科技合作專項(xiàng)(2013DFA50840),國家自然科學(xué)基金杰出青年基金(51425204)及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973)(2013CB934103)資助

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

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