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Adv. Energy Mater.|寿命问题解决了,锂硫电池的春天还会远吗?

      谈起锂硫电池,低寿命、自放电、低库伦效率、低电导率、体积膨胀等一些列问题无疑是阻碍其商业化的罪魁祸首。近些年,虽然锂硫电池在研究上取得了一系列进展,但新的问题也层出不穷,如何平衡活性物质载有率和寿命,逐渐成为人们关注的焦点!

鉴于此,本文作者巧妙地设计了三明治复合结构独立式电极:多层级的多硫化物拦截层不仅可以有效保留可溶性中间体LIPSs (lithium polysulfides),还使硫的利用率最大化;氮掺杂石墨烯(NG)作为硫的调节单元,不仅赋予石墨烯电子传导性,并且通过协调相互作用改善LIPSs的拦截特性;通过集成超长CNTs和羟基官能化的纳米原纤化纤维素(NFC)以构筑互联3D导电骨架

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图1.a,b)分别为电极和柔性特性照片; c)为平面SEM图像; d)为顶层和中间有源层之间边界的SEM图像;e)中间活性层的表面放大图像(d中黄色部分);f)为硫载有率8.1mg/cm2电极的3D XRM图像

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图2. a)电极在0.05mV/s扫描速率下的循环伏安图; b)电极在不同循环下的恒电流充/放电曲线;c,d)电极在0.25C和0.5C下的循环性能和库仑效率

 

将其用于锂硫电池表现出了优异的循环稳定性,出色的倍率性能以及较高的放电容量(当硫载有率为8.1mg/cm2时,在0.1C下初始放电容量可达1062.8mAh/g,即使电流密度达3C时仍可输出526.3mAh/g的可逆容量,表现出优异的倍率性能)Adv. Energy Mater.|寿命问题解决了,锂硫电池的春天还会远吗?

图3.a)电极在不同循环时的面积容量;b)电极在不同电流密度下的倍率性能;c)近期报道与我们报道的面积容量对比; d)实验演示表明原型软包电池可以在平坦和弯曲状态下点亮三个蓝色LED

不仅如此,作者对于这种电极的优良特性和电极行为进行了深入的研究,结果表明:

1)有效的化学修饰/掺杂,有效的电解液渗透和一定的机械强度确保了电极的高电化学活性;

2)交织互联的CNT/NFC形成3D分层式网络,提供了丰富的多孔空间,利于活性物质存储和离子传输;

3)CNT作为复合电极骨架的同时又充当长程导电剂;官能团(N-掺杂和羟基)化的独特3D混合结构设计可以有效地缓解负极粉化问题,并抑制可溶性多硫化物的扩散以减轻锂表面腐蚀,从而有助于提高硫的利用率,显示出极高的倍率放电特性和优异的循环性能。

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图4.a)金属锂表面在0.5C循环100次以后的SEM图像;b-d)a中黑色方块区域不同的放大倍数SEM;e, f)部分粉碎区域SEM(a中虚线区域)

最后,作者也利用量化计算来给予理论上的证明,结果表明有效的-OH官能化策略在电化学过程中能够减轻中间体LiPS的扩散,从而抑制硫的损失;同时在富氮掺杂的协同作用下,大幅改善了化学相互作用。

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图5.根据DFT计算,Li2S在CNT表面(a)和羟基官能化CNT表面(c, d)上最稳定吸附结构

制备步骤:

NG合成:氧化石墨烯(GO)使用改性的Hummer’s制备。在剧烈搅拌下,将0.2g P123加入200mL GO的水性分散体系(2mg/mL)中。 随后,缓慢加入1.0g三聚氰胺树脂,将混合溶液在90℃的水浴中放置3小时,然后在90℃下干燥过夜。 紧接着,用乙醇和蒸馏水洗涤并在80℃真空干燥。 最后,将所得产物在管式炉中N2气分为下800℃退火,得到NG粉末。

NG/S复合材料的合成:将NG粉末和升华硫以200rpm/min球磨半小时,然后通过毛细作用将Ar气注入高压釜中,并在155℃下加热12小时来制备NG/S复合材料。 将所得的NG/S复合物进一步球磨并用200目过滤器筛分备用。

制备独立三明治结构纸电极:为了制备最外层碳层,将CNT/NFC胶条以10:1的重量比混合,然后均匀分散在乙醇溶液中,通过具有5μm孔径的聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)过滤膜采用真空过滤制造夹三明治结构。

 

Adv. Energy Mater.|寿命问题解决了,锂硫电池的春天还会远吗?

 Mingpeng Yu, Junsheng Ma, Ming Xie, Hongquan Song, Fuyang Tian, Shanshan Xu, Yun Zhou, Bei Li, Di Wu, Hong Qiu, Rongming Wang, Freestanding and Sandwich-Structured Electrode Material with High Areal Mass Loading for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602347

 通讯作者简介

王荣明教授,现为北京科技大学数理学院教授、博士生导师、院长。兼任Prog. Nat. Sci. Mater. Inter.等4个国际学术期刊编委,中国材料研究学会理事,首届纳米材料与器件分会常务理事兼秘书长,国际学术会议大会副主席、秘书长、分会主席等。近年来,围绕控制生长和定量表征等材料研究的瓶颈和关键问题,突破透射电镜物镜强磁场对磁性功能材料干扰影响其定量表征的技术难点,开展磁性功能材料的表面界面精细结构结构表征和调控研究,在原子、电子层次理解材料的结构和性能相互关系,推进其在信息、能源等领域的应用。

Email:rmwang@ustb.edu.cn

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