滑铁卢大学陈忠伟教授EES:管/块串联锂硫正极材料

【引言】

随着便携式电子设备和电动汽车等技术的迅猛发展,高能量密度和功率密度储能设备的开发和应用已迫在眉睫。锂硫电池具有远远超过传统锂离子电池的高能量密度(2567 Wh/kg),兼具环境友好和价格低廉等优点,是极具潜力的下一代高能电池体系。近几十年来,锂硫电池的研究和开发已经取得了长足的进步,但目前其实用化仍面临着一系列的问题,如活性材料利用率低、循环稳定性差和库伦效率低等。为解决这些问题,传统方法通过构建硫碳复合材料并与导电剂混合涂覆于集流体上作为锂硫电池的正极。然而,绝缘性的粘结剂的添加会降低整个电极的电导率;同时在电化学反应过程中随着活性物质的溶解会导致导电接触点的损失以及电极结构的坍塌,不利于电池的循环稳定性。因此,设计具备良好导电性的自支撑电极,并结合合理的孔结构和界面结构设计,对活性物质进行有效的束缚,是提高锂硫电池能量密度和循环寿命的有效途经。

【成果简介】

有鉴于此,加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华中科技大学王得丽教授合作在高能量和高循环性能锂硫电池方面取得新进展。相关论文发表在Energy & Environmental Science上,题为“Stringed “tube on cube” nanohybrids as compact cathode matrix for high-loading and lean-electrolyte lithium-sulfur batteries”,DOI: 10.1039/C8EE01377B。文章的第一作者是滑铁卢大学的李高然博士和滑铁卢大学访问博士生/华中科技大学的雷文博士。

本文结合静电纺丝和CVD技术,构筑了具有三维多孔道网络结构的自支撑复合薄膜(CPZC)。该结构设计具有以下几个优势:复合物薄膜中由PAN转化的碳纤维骨架为电极提供了长程连续的导电网络;由ZIF-67转化的多孔碳立方丰富了整个电极的多孔结构,为活性物质提供有效的物理束缚,并为硫的转化反应提供大量的活性界面;同时,ZIF-67转化所得的N和Co的掺杂可以为多硫化物提供有效的化学吸附,进一步减少活性物质损失并抑制穿梭效应;通过CVD生长所得N掺杂的CNTs,进一步丰富和增强了连续的网络结构,实现快速的电子离子传输,并提供额外的吸附作用和强化的电极机械稳定性。所得特殊的“管/块”复合结构薄膜具备良好的电导率和优异的固硫作用,能够实现13.5mg/cm2的高硫载量和E/S=3的低电解液用量(E/S:电解液/硫载量,mL/g),获得348.8 Wh/kg的体系能量密度。

 【全文解析】

 

滑铁卢大学陈忠伟教授EES:管/块串联锂硫正极材料图1. CPZC材料的合成示意图

滑铁卢大学陈忠伟教授EES:管/块串联锂硫正极材料图2 产物形貌表征: a-c)纯PAN转化的碳纤维, d-f)PAN/ZIF-67转化的复合纤维,以及g-i)CVD生长CNT后的终产物CPZC的电镜照片。

滑铁卢大学陈忠伟教授EES:管/块串联锂硫正极材料图3 产物的电化学性能表征:三种硫电极在a)0.2 C倍率下的充放电曲线;b)0.1mV/s扫速下的CV曲线;c)0.2C下的循环性能对比以及d)倍率性能对比;e)S@CPZC电极在1C电流密度下的长循环稳定性。

滑铁卢大学陈忠伟教授EES:管/块串联锂硫正极材料图4 S@CPZC电极在高载量锂硫电池性能测试及低电解液用量下的性能。E/S为电解液用量与硫的比值,单位为mL/g。

Gaoran Li, Wen Lei, dan luo, Ya-Ping Deng, Zhiping Deng, Deli Wang, Aiping Yu  and  Zhongwei Chen, Stringed “tube on cube” nanohybrids as compact cathode matrix for high-loading and lean-electrolyte lithium-sulfur batteries, Energy Environ. Sci., 2018, DOI:10.1039/C8EE01377B

【通讯作者介绍】

陈忠伟:加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)化学工程系教授,加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席,加拿大工程院院士。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池,金属空气电池,锂离子电池,锂硫电池,锂硅电池,液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano 等国际知名期刊发表论文220余篇。目前为止,文章已引用次数近 14000次, H-index 指数为58,并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。

课题组主页:http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

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参考文献:Energy Environ. Sci