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ACS Nano|高载硫稳定性碳棉

对于化学电池,锂硫电池(Li-S)因其复杂的化学和电化学过程而被人们所熟知。与传统的锂离子电池嵌入反应不同,硫通过一个特殊的转化反应表现出高达1675mAh/g的理论容量。但是在转化过程中形成的多硫中间产物Li2S4-8极易容易电解液中,造成电池循环和静置时活性材料的流失、金属锂腐蚀以及绝缘Li2S2/Li2S在电极表面沉积等负面效应,从而导致电极不稳定,进一步造成动态和静态不可逆容量损失。如何通过设计电极来同时提高硫负载以及维持动态和静态电池稳定性,是目前高能量密度的锂硫电池商业化所面临的问题。

为此,德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram教授课题组引入碳棉作为活性电极载体材料,使其电化学性能有很大的改善。此研究成果发表在ACS Nano(IF=13.334,2016

ACS Nano|高载硫稳定性碳棉

图1.(c)碳棉正极制备过程及棉花(d)和碳棉(e)的SEM

ACS Nano|高载硫稳定性碳棉

图2.碳棉载硫后的SEM

ACS Nano|高载硫稳定性碳棉

图3.电化学性能

作者设计并制备了一种柔韧的碳棉基底,并将其作为活性电极容纳材料以提高正极的载硫量动/静态稳定性。这种碳棉具有多级的大孔/微孔结构高达805m2/g的比表面积和557m2/g的微孔面积,如此高的比表面积使其具有好的静态稳定性,电池存储60天后依然可以保持93%的容量,另外动态稳定性也实现了循环100次后容量保持率在70%。这种材料极好的动/静态性能可能是由于高负载的碳棉实现了载硫量(61.4mg/cm2)硫含量(80wt%)的平衡,进而使其获得了高的面积比容量、体积比容量、以及质量比容量。

为了进一步证明该材料的电化学性能,作者对其进行了倍率和寿命的测试。2C倍率测试过后回到C/20倍率时,可逆容量仍高达1022mAh/g。然后电池继续以C/10的倍率循环,150次后的容量保持为92%,可见依然保持极好的循环稳定性。在寿命测试中,以C/10的充放电电流循环50次后的放电容量高达912mAh/g,且相应的面积比容量、体积比容量和质量比容量分别为56mAh/cm21121mAh/cm3724mAh/g。另外,得益于分层等级大孔/微孔结构,高负载的碳棉作为动力电池正极展现出高电荷储存容量和优异循环性能的潜力以及长期静止存放时所需要的容量高保持率。

碳棉电极具有交联的螺旋碳纤维网络,并且具有微孔反应位点,其高柔韧性有益于电解液渗透和随后活性材料的保留。碳棉电极为研发高性能Li-S电池提供了简单且实用的方法,因此也成为开发高负载、高含量Li-S电池的先进电极材料。

制备方法:

碳棉电极的制备:从商业棉垫中回收纯棉,然后在900℃的氩气下煅烧6h得到碳棉,升温速率为2 ℃/min。将碳棉剪成尺寸为5x5mm的正方形片,当碳棉负载硫密度为30.7mg/cm2时,其平均厚度和质量分别为300μm和1.9mg/cm2;当碳棉负载硫密度为61.4mg/cm2时,其平均厚度和质量分别为500μm和3.7 mg/cm2。

Seng-Heng Chung,Chih-Hao Chang, Arumugam Manthiram, A Carbon-Cotton Cathode with Ultrahigh Loading-Capability for Statically and Dynamically Stable Lithium−Sulfur Batteries, ACS Nano, 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b0636

 

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