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    Materials Today Energy:硫快速沉積電紡CNF中制備鋰硫電池負極

     
    發布日期:2018-10-19
     

    自從20世紀90年代初,鋰離子電池商業化以來,便攜式電子產品、電動汽車和大規模存儲的電化學儲能需求繼續超過鋰離子電池的能力。鋰硫電池由于其高能量密度(2500Wh/kg)而備受關注,這是鋰離子電池(500Wh/kg)的5倍。此外,硫的含量豐富,價格低廉,對環境無害。不幸的是,鋰硫電池的商業化受到一些關鍵挑戰的阻礙。(1)、硫的電絕緣性質(25℃下 5×10-30 S/cm);(2)、在鋰化-脫鋰反應期間硫的大量體積變化;(3)、可溶性反應中間體溶解到電解質中并且在循環時遷移到陽極(穿梭效應)。這些挑戰導致鋰硫電池性能指標較差,包括快速容量衰減,循環穩定性差,庫侖效率低,硫含量和負載低。

    美國德雷塞爾大學的Vibha Kalra教授團隊在Materials Today Energy期刊上發表題為Binder-free, freestanding cathodes fabricated with an ultra-rapiddiffusion of sulfur into carbon nanofiber mat for lithiumesulfur batteries的研究論文。他向我們展示了一種超快速技術,將硫結合到電紡CNF中,用于制造無粘合劑,獨立式的鋰-硫電池陰極。硫沉積方法大大縮短了向CNF注入硫的時間,從10小時到5秒,為制備鋰-硫電池陰極提供了廣闊的前景。

    采用完善工藝制造的CNF經過快速加熱和輕微壓力(140℃和<250psi)使硫快速順利地擴散,從而獲得硫-碳納米纖維(S-CNF)陰極,其中硫含量接近50-65wt%。經過X射線光電子能譜(XPS)數據分析,作者認為,特殊的容量保持率和穩定性可歸因于,由于不完全碳化而存在于CNF中的多硫化物吸引的雜原子官能團。此外,傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR FT-IR)分析也給我們提供了長期循環后雜原子-多硫化物相互作用的證據。所獲得的陰極在0.5C電流密度下,初始放電容量為550mAhg-1,放電循環150次后,顯示100%的容量保留,庫侖效率>99%。

    電紡CNF結構具有兩個重要因素,使研究人員能夠開發出這種簡單的陰極。(1)它們本身是獨立的,不需要粘合劑、額外的集流器或昂貴的漿料制造。同時,這些非活性電池組分的重量貢獻是顯著的,估計占整個陰極的30-50wt.%。(2)碳納米纖維墊作為一個內置的導電基質起著重要的作用,它在整個電極中提供了不間斷的電子傳輸途徑。同時,較大的纖維間距有利于電解液擴散,并為陰極制備過程中硫的整合和鋰硫氧化還原反應期間的體積膨脹提供足夠的空間??偟膩碚f,這種無粘合劑的自支撐負極提供了一個實用的鋰硫電池負極制備方法。


    圖1.通過快速硫熔融技術制造S-CNF陰極的示意圖。


    圖2.(a)S-CNF陰極在0.1C,0.2C和0.5C下,超過100次循環后的循環穩定性和庫侖效率(b)S-CNF陰極0.5C時的放電容量。


    圖3.(a)-(c)分別為C1s、N1s、O1s峰的高分辨率XPS光譜。

     
     
     

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