千亿体育

2020-06-08

教你怎样把硫融进碳孔外面!

分享到:

教你怎样把硫融进碳孔外面!

【研讨背景】

下一代电动汽车、夹杂能源汽车和储能系统都须要高容量的蓄电池。锂硫(Li-S)电池是极具潜力的候选电池之一,因为它们具备高实际容量(1675mAh g-1),能量密度(2600Wh kg-1)比传统锂离子电池超出跨越一倍以上。锂硫电池电极的一个罕见做法是在多孔碳中负载硫,缘由是硫的导电率很是低,充电/放电进程中发生的多硫化物消融并在电解质溶液中穿越。将硫装入多孔碳宿主可进步导电性并经由进程物理限定避免消融。之前,人们努力于节制碳或碳复合材料的孔布局,以便充实地包裹硫,并构成硫和碳的平均复合物。


在此进程中,一个绝对被轻忽的身分是,硫或硫消融溶液(凡是是硫/CS2溶液)与碳的低或中等相容性致使难以将硫完整装入多孔碳宿主。现实上,熔融硫在碳外表仅表现出局部潮湿。在传统的熔体分离进程中,这类特征致使硫在碳的微孔或介孔中分离坚苦。同时,即便在硫消融在CS2溶液中,因为CS2与碳外表的相容性较低,硫也能够不会很好地渗入到多孔布局中。


【文章简介】
完成多孔碳中硫的充实包覆,是高机能锂硫电池的关头。为此,韩国西江大学Jun Hyuk Moon团队克日以“Completeen capsulation of sulfur through interfacial energy control of sulfur solutions for high-performance Li−S batteries”为题,在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.发文,从尝试和实际上揭露了硫溶液中碳外表的界面能是鞭策硫完整包覆的关头。

【文章解读】

1. 样品制备

作者开辟了一种中空多孔碳球(HPCS),这类碳球具备条理孔布局,外部有大孔,壳体内有中孔。利用异丙醇(IPA)或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和CS2的夹杂溶液制备硫溶液。图1中比拟了各硫溶液和惯例硫/CS2溶液渗入堆积硫的环境。硫/CS2溶液因为其在碳外表上的润湿性低,致使渗入性差,硫在溶剂蒸发后堆积在HPCS外外表。含有IPA的溶液因为其低外表张力而具备低硫溶液-碳界面能,是以进步穿透力。NMP与碳高度相容,是以,含NMP的溶液显现出加强的渗入性。


TEM和SEM表征显现,纯CS2溶液消融硫后制备的样品,多孔壳和大孔腔中只装载了少许的硫(图1D和E)。猜测这是因为碳外表的CS2倒霉于润湿,致使硫较少渗入碳孔。现实上,如图2A所示,CS2在碳外表仅局部润湿。


接纳二元溶剂来改良硫溶液在碳外表的润湿性,挑选了IPA作为附加溶剂,因为它的外表张力很是低。别的,挑选了NMP,因为它普遍用于分离CNTs或石墨烯。用这些夹杂溶液制备的S/HPCS的TEM图,如图1G和J所示。利用夹杂溶剂与利用纯CS2取得的硫负载成果较着差别,在CS2/IPA制备的S/HPCS中,多孔壳中察看到硫的存在。利用CS2/NMP溶剂,硫更多地被带入大孔中。在SEM图中,用含有IPA或NMP的溶液制备的HPCSs四周看不到硫残留物。这些成果证明CS2/IPA和CS2/NMP溶液使硫消融溶液更完整地渗入HPCSs的孔道。

教你怎样把硫融进碳孔外面!(图1)

图1(A-C)比拟三种差别硫消融溶液渗入到HPCS中的表示图。(D,G,J)高倍TEM图象;(E,H,K)S/HPCS(CS2),(H)S/HPCS(CS2/IPA)和(K)S/HPCS(CS2/NMP)的高倍TEM图象和线EDX成果;(F,I和L)S/HPCS(CS2,(I)S/HPCS(CS2/IPA)和(L)S/HPCS(CS2/NMP)的低倍SEM图象。


2. 打仗角和界面张力

如图2所示,在碳外表上丈量了CS2、CS2/IPA和CS2/NMP溶液的打仗角别离为53°、17°和17°。CS2/NMP和CS2/IPA的毛细管力别离是CS2的1.7倍和1.4倍。这些成果申明,与CS2溶液比拟,含有IPA和NMP的溶液在碳孔中的渗入明显改良。

教你怎样把硫融进碳孔外面!(图2)

图2打仗角和每一个溶液滴碳外表润湿的摹拟图象。


3. 电化学阐发

将差别方式制备的S/HPCS组装锂硫电池,在差别扫描速度下的轮回伏安曲线,如图3A-C所示。据此计较和比拟每一个氧化复原峰处每一个样品的DLi+。对每一个氧化复原峰,S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2/IPA)显现出远高于S/HPCS(CS2)的值,揭露了S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2/IPA)电极(5)完成的疾速反映能源学。


图3E比拟了这些电极的电化学阻抗谱。半圆对应于电极/电解液界面氧化复原反映的电荷转移电阻(Rct),高频区的直线对应于Warburg阻抗和锂离子分离。S/HPCS(CS2/NMP)电极具备最小的半圆和最陡的斜率的直线,这证明了S/HPCS(CS2/NMP)的最小Rct值和最快的分离速度。

教你怎样把硫融进碳孔外面!(图3)

图3(A)S/HPCS(CS2),(B)S/HPCS(CS2/IPA)和(C)S/HPCS(CS2/NMP)正极的CV图。(D)每一个正极和负极反映的锂离子绝对分离速度。(E) S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)正极的Nyquist图。


在图4A-C中比拟了S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)正极的恒流充放电曲线。在此,比拟了每一个电极在差别倍率下的Q2/Q1比,如图4d–F所示。S/HPCS(CS2)电极的比率很是小,低于1.5,S/HPCS(CS2/NMP)的比值比S/HPCS(CS2/IPA)高,出格是在较高的倍率下。

教你怎样把硫融进碳孔外面!(图4)

图4(A)S/HPCS(CS2),(B)S/HPCS(CS2/IPA)和(C)S/HPCS(CS2/NMP)正极的充放电曲线;(D-F)长链多硫转换(Q1)和短链多硫转换(Q2)的容量进献和在差别倍率下的Q2/Q1比。


4. 电化学机能

图5A显现了S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)电池在1 C时的轮回机能,硫含量为75 wt%,电极的硫负载量为1 mg/cm2。S/HPCS(CS2/NMP)在100个轮回中的保留率为89%,容量为750mAh/g,S/HPCS(CS2/IPA)的保留率为77%,S/HPCS(CS2)的保留率为44%。另外,比拟了电池在85 wt%的高硫含量下的轮回机能(图5B),S/HPCS(CS2/NMP)电池的容量坚持率仍坚持在80%摆布,而S/HPCS(CS2/IPA)电池的容量坚持率仅为64%。


如图5C所示,S/HPCS(CS2/NMP)电池的持久轮回机能可达300圈,在最后40个圈,容量每圈削减0.3%。以后,每圈仅削减0.071%。图5d和E别离比拟了S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2)电极充放电前后的描摹,S/HPCS(CS2)外表构成不可逆的Li2S2/Li2S积淀,差别的是,S/HPCS(CS2/NMP)即便在轮回后也不外表残留。


硫在S/HPCS(CS2/NMP)中的完整包封使Li-S电池具备高体积比容量。在此评价了正极硫密度为0.62 g/cm3、硫含量为4 mg/cm2的电极电池的轮回机能。如图5F所示。该电池在0.2C下的品质比容量为1388 mAh/g,在0.5C下的100个轮回中的保留率为86%。与此同时,电极体积比容量在0.2 C和0.5 C别离到达855 mAh/cm3和652 mAh/cm3

教你怎样把硫融进碳孔外面!(图5)

图5(A和B)S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)电池的轮回机能。(C)硫含量为85%的S/HPCS(CS2/NMP)电池在2 C下的轮回机能。(D)S/H-PCS(CS2/NMP)电极和(E)S/H-PCS(CS2)电极50次轮回前后的SEM图象。(F)S/HPCS(CS2/NMP)电极在0.5 C下的比容量和容量。(G)尝试成果与利用近似硫负载的最新成果的比拟。


【论断】

综上所述,经由进程节制硫消融溶液的界面能,调控了硫在HPCSs中的负载。普遍利用的硫/CS2溶液因为CS2界面能高,不易渗入到多孔炭中。利用含有IPA或NMP的夹杂溶液,能够经由进程改良碳外表的润湿性,明显改良溶液在孔隙中的渗入。出格是接纳低界面能的NMP与碳连系,能够更有用地改良渗入性,完成完整的硫包覆。电化学测试成果发明,硫负载的节制对锂硫电池的机能有很大的影响。该文章提出的方式能够作为一种简略而切确的节制手艺,用于制备高机能的硫正极复合材料。

 

Donghee Gueon, Min-Young Ju, and Jun Hyuk Moon, Complete encapsulation of sulfur through interfacial energy control of sulfur solutions for high-performance Li−S batteries, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020. DOI:10.1073/pnas.2000128117

千亿体育:

上一篇:全固态电池从研发到适用另有多远?
千亿体育: 下一篇:高宁静钠离子电池材料若何设想?

千亿体育:办事热线

征询德律风: 0755-28909182 13824381687

千亿体育:官方微信