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铝离子电池:无粘结剂、自支撑正极Co9S8@CNT–CNF

丰富的原材料来源,高容量,高能量密度这些优点使可充电的铝离子电池(AIBs)被认为是新一代大规模储能设备新星。但是缺少容量合适且循环稳定性高的正极材料使这一切就如同空中楼阁一般,可望而不可及。近日,昆士兰大学王连洲教授和南航彭生杰教授合作报道了一种新颖的无粘结剂且自支撑的Co9S8@CNT–CNF作为AIBs的正极材料,其独特的设计(无粘结和分层形态)可以有效消除副反应和材料分解,因此不仅具有较高的放电容量,还有出色的倍率性能和循环稳定性。目前该成果已经发表在top期刊Adv. Mater. (19.791)上。

铝离子电池:无粘结剂、自支撑正极Co9S8@CNT–CNF

图1.a)Co9S8@CNT–CNF复合材料的合成示意图;b)Co9S8@CNT–CNF的柔性测试

首先通过静电纺丝的方法得到绿色无纺布纤维垫,接下来经过热处理得到Co@CNT–CNF,最后在硫化氢气氛下硫化处理得到Co9S8@CNT–CNF复合材料。经过拉伸和弯折实验后Co9S8@CNT–CNF仍能保持完整,展现出出色的机械柔性。

铝离子电池:无粘结剂、自支撑正极Co9S8@CNT–CNF

图2.a)在100mA/g的电流密度下,Co9S8@CNT–CNF第1、5、10圈的充放电曲线;b)在扫速为0.5mV/s时Co9S8@CNT–CNF第1、5、10圈的CV曲线;c)Co9S8@CNT–CNF与其它正极材料的Ragoneplots;d)在100mA/g下,Co9S8@CNT–CNF的循环性能和库伦效率;e)1A/g的电流密度下,Co9S8@CNT–CNF的放电容量图和库伦效率图

Co9S8@CNT–CNF作为铝离子电池正极,电化学性能也表现的极其出色,在100mA/g的电流密度下,它的初始放电容量达到315mAh/g,这在之前所有的报道中是最高的;经过200次循环后,仍能保持297mAh/g的容量,库伦效率也保持在96%;即使在1A/g的电流密度下,仍有154 mAh/g的容量,经过6000次循环后还保留有87mAh/g的容量,库伦效率也很好的保持在95%。循环之后的电极经过各种表征也证明,经过长循环后的活性材料只有轻微的边际变异,更加证明了电极材料的稳定性。

铝离子电池:无粘结剂、自支撑正极Co9S8@CNT–CNF

图3.a)电极循环前后的拉曼图谱;b)电极循环前后Co 2p3/2的XPS图谱;c,d)循环后点击的SEM图片;e,f)循环电极的TEM和HRTEM

新颖的无粘结剂、自支撑的Co9S8@CNT–CNF电极材料展现出的优异电化学性能,主要有几下两个原因:

  • 精心设计的复合结构具有丰富的多孔结构,改善了电极中的电解质渗透现象,并允许更多的活性位点暴露,这极大地促进电极动力学过程;

  • 无粘结剂、自支撑的结构抑制了副反应的发生和活性材料的分解,有效的提高了材料的稳定性。

 Yuxiang Hu, Delai Ye, Bin Luo, Han Hu, Xiaobo Zhu,Songcan Wang, Linlin Li, Shengjie Peng, Lianzhou Wang, A Binder-Free and Free-Standing Cobalt Sulfde@Carbon Nanotube Cathode Material for Aluminum-Ion Batteries, Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201703824

 

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