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有机与无机的结合——苯基硫醚-硒阳极2020-03-09

锂离子电池在能量密度方面有显而易见的优势,因此,它们在移动电子产品中广泛应用。但是,相应的阳极材料,例如LiCoO2和 LiFePO4已经达到了他们理论容量的极限。发现一种高能量密度的阳极材料,这将会给能源领域带来改革性的进展。有机化合物为这种功能性材料的设计提供了一种新思路:许多多硫有机化合物具有很高的能量密度,例如二甲基三硫醚,二苯基三硫醚,甚至可以拉伸的聚合硫化物。硒也具有相当高的能量密度,但是单独使用时,显得差强人意,科研人员已经用了很多方法来解决这个问题,例如微孔碳载体(microporous carbon hosts)。采用硫-硒混杂的体系可以有效改善电池阳极的循环性能。

       这里研究人员使用了硒(原文献好像把硒画成环状了……)和二苯基三硫醚作为阳极材料。硒的制作方法来自于(DOI: 10.1002/batt.201900050),即:向二氧化硒中加入β-环糊精,在磁力搅拌下加入抗坏血酸还原,可以得到硒纳米线。

硒的加入有效提升了二苯基三硫醚的循环稳定性,形成的各种产物都可以被质谱捕捉到,研究人员还采用光电子能谱(XPS)研究S-Se键的能量。这种S-Se键在充电过程中的行为已经由密度泛函理论和Born–Oppenheimer分子动力学方法进行分析。在反应过程中,可能出现硫自由基中间体攻击硒原子的情况。

下面这幅图给出了一个关于这种电极在充放电过程中,可能产生的各种物质和氧化还原态的曲线表述,其中二苯基三硫醚可以简写为DPTS(diphenyl trisulfide)。

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