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山大徐立強(qiáng)ACS Nano：硼化物催化主體助力鋰硫電池10C循環(huán)1300次！

多硫化物的穿梭效應(yīng)和Li₂S的緩慢成核是阻礙鋰硫電池進(jìn)一步發(fā)展的主要問題。合理設(shè)計具有催化功能的硫主體材料已成為促進(jìn)多硫化物轉(zhuǎn)化的有效策略。與其他類型的過渡金屬化合物相比，具有高導(dǎo)電性和催化能力的過渡金屬硼化物更適合作為硫的主體材料。

山東大學(xué)徐立強(qiáng)等通過簡便的固相反應(yīng)合成了具有豐富和高效催化位點(diǎn)的二硼化鈮(NbB₂)納米顆粒，并用作硫主體以減輕“穿梭效應(yīng)”并促進(jìn)多硫化物轉(zhuǎn)化。

圖1 NbB₂加速多硫化物轉(zhuǎn)化并促進(jìn)Li₂S成核的示意圖

首先，與其他鈮基化合物相比，NbB₂納米粒子具有高導(dǎo)電性和豐富的催化位點(diǎn)，從而可以有效地促進(jìn)多硫化物的電化學(xué)轉(zhuǎn)化。其次，納米NbB₂可以增強(qiáng)用于催化多硫化物氧化還原位點(diǎn)的暴露，從而可以減少電解液的使用，提高實(shí)際應(yīng)用的可行性。第三，B原子和Nb原子都可以有效吸附多硫化物，從而增強(qiáng)多硫化物的錨定功能。

因此，當(dāng)用作硫正極的主體材料時，納米NbB₂有效地提高了多硫化物的轉(zhuǎn)化率，降低了反應(yīng)動力學(xué)，并調(diào)節(jié)了Li₂S的高容量沉積。更重要的是，NbB₂的高導(dǎo)電性為3D成核和Li₂S的生長提供了有利的成核位點(diǎn)，避免了催化劑表面的鈍化，提高了Li₂S的反應(yīng)動力學(xué)。

圖2 NbB₂對多硫化物的吸附及對動力學(xué)的作用

受益于上述優(yōu)勢，NbB₂正極在100次循環(huán)后仍可保持1014 mAh g^-1的高容量。此外，在5C/10C下也實(shí)現(xiàn)了703/609 mAh g^-1的高初始比容量，并且可以在 0.057%/0.051%的低衰減率下循環(huán)1000/1300次。

即使硫負(fù)載量高達(dá)16.5 mg cm^-2時，在0.1 C時也可以實(shí)現(xiàn)17 mAh cm^-2的高初始面積容量，經(jīng)過40次循環(huán)后，面容量仍可以保持在10 mAh cm^-2以上。總之，這項工作強(qiáng)調(diào)了設(shè)計導(dǎo)電和催化功能硫主體在增強(qiáng)多硫化物轉(zhuǎn)化動力學(xué)和指導(dǎo)鋰硫電池中沉積Li₂S的重要性，并可以擴(kuò)大金屬硼化物的應(yīng)用并激發(fā)鋰硫電池的發(fā)展。

圖3 鋰硫電池性能

Niobium Diboride Nanoparticles Accelerating Polysulfide Conversion and Directing Li2S Nucleation Enabled High Areal Capacity Lithium–Sulfur Batteries. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01179

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