一、研究背景与意义
锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh kg⁻¹）和硫资源丰富而备受关注，但多硫化物的穿梭效应和缓慢的反应动力学限制了其实际应用。本研究通过一步退火法制备了钴钌合金封装氮掺杂碳纳米管材料，将其应用于隔膜改性，显著提升了电池的综合性能。
二、材料设计与合成

• 制备方法：以三聚氰胺为碳源，Co(NO₃)₂·6H₂O和RuCl₃为金属前体，通过800℃退火2小时自催化生成CoRu@N-CNTs。
• 结构特征：
  • 碳纳米管呈竹节状结构，直径50-100 nm，Ru的引入增加了表面缺陷和小尺寸纳米管。
  • 金属合金颗粒（Co、Ru及CoRu合金）封装于碳管末端，形成协同催化位点。
  • 氮掺杂提供化学吸附活性位点，增强对多硫化物的锚定能力。

三、材料表征结果

1. 形貌分析（SEM/TEM）：
   • CoRu@N-CNTs相比单金属Co@N-CNTs具有更丰富的孔结构和缺陷，利于离子传输与多硫化物限制。
   • TEM显示清晰的晶格条纹（Co(111): 0.220 nm, Ru(100): 0.207 nm, C(002): 0.391 nm）。

1. 物化性质（XRD/XPS）：
   • XRD确认Co和Ru的合金化成功（PDF#06-0663、PDF#15-0806）。
   • XPS揭示吡啶氮、石墨氮等活性位点，以及Co⁰、Ru⁰的金属态存在，证实双金属协同作用。

四、隔膜性能优化

• 亲电解液性：CoRu@N-CNTs改性隔膜接触角最小，电解液浸润性显著提升。
• 多硫化物吸附：吸附实验与XPS证明材料通过化学键（S–Ru/Co）和物理限制协同锚定Li₂S₆。

五、电化学性能

1. 催化动力学：
   • CV曲线显示CoRu@N-CNTs//PP电池还原峰左移、氧化峰右移，表明双金属加速多硫化物转化。
   • Li₂S成核实验显示更短成核时间（tₘ）和更高峰值电流，证实优异催化活性。

1. 电池性能：
   • 循环稳定性：0.5C下初始比容量1134.22 mAh g⁻¹，400次循环后容量衰减率仅0.107%/周期。
   • 高倍率性能：3C时容量保持686 mAh g⁻¹，1C电流下循环300次容量仍达587.5 mAh g⁻¹。
   • 高硫负载：负载量提升至3.072 mg cm⁻²时，容量仍达514.5 mAh g⁻¹，库伦效率近100%。

六、结论与创新点
本研究通过双金属协同催化与氮掺杂碳管化学吸附的协同策略，显著提升锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。CoRu@N-CNTs改性隔膜为高性能锂硫电池的开发提供了新思路。
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122395

转自《石墨烯研究》公众号