Adv. Energy Mater.:高負載、長循環壽命鋰硫電池的三明治結構

【引言】

鋰硫電池具有非常高的理論容量和理論能量密度，并且硫的儲量豐富，價格便宜，而且經濟環保。但是鋰硫電池在應用方面仍然受到諸多因素的限制。硫自身的導電性差，放電過程中產生的難溶物會導致大的體積變化。更重要的是，多硫化物的溶解和遷移造成的穿梭效應導致容量的快速衰減、自放電和庫倫效率低等問題。為了解決這一問題，各種多層的碳材料，如多孔碳、碳納米管和石墨烯都被用來負載硫和限制多硫化物的溶解。另外，碳材料可以增強導電性和抑制體積變化。但是目前遇到的問題是很難制備高負載量的Li-S體系，在大多數報道當中，硫的面負載量一般低于2 mg cm^-2，這樣的結果將會極大地抵消鋰硫電池高能量密度的優勢。因此采用合理的策略，不僅能夠增加硫的負載量，而且能夠提高循環性能和硫的利用率是非常必要的。

【成果簡介】

近日，北京科技大學數理學院的于明鵬博士（通訊作者）課題組在Advanced Energy Materials上發表了題為“Freestanding and Sandwich-Structured Electrode Material with High Areal Mass Loading for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries”的文章。利用結構設計的策略制備出一種混合、獨立式的三明治電極結構。對于聚硫化物溶解的多層次攔截可以有效保留可溶硫化物并提高硫的利用率。氮摻雜的石墨烯由于配位相互作用會提高硫的負載量和導電性。超長碳納米管和羥基功能化的納米纖維素的集成化更進一步提高了材料的性能。基于這種復合材料的鋰硫電池展現出很高的放電容量、優異的倍率性能和循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1?獨立式電極材料制備過程示意圖

圖中為獨立式三明治結構電極材料的制備步驟。（NFC為羥基功能化納米纖維素，NG為氮摻雜石墨烯）

圖2 電極的表面形貌表征

（a）電極的數碼照片

（b）電極的數碼照片（柔性）

（c）面內的SEM照片

（d）在頂層和中間活性層之間邊界的SEM圖像

（e）拉進視野的中間活性層表面形貌（（d）圖中的黃圈部分）

（f）硫負載量為8.1 mg cm^-2的電極的3D XRM圖片。為了對比明顯，黃色為硫，灰色和白色分別為最外層和中間層的碳。

（g-l）放大之后C,S,O,N元素的分布情況。

圖3 電極中不同組分的性能表征

（a）NG，硫粉末，電極和CNT/NFC纖維的XRD圖譜

（b）NG，硫粉末，電極和CNT/NFC纖維的的拉曼光譜

（c）NFC纖維的傅里葉變換紅外光譜圖

（d）兩種電極的應力-應變曲線

圖4 電極的電化學性能表征

（a）0.05 mV s^-1掃速下電極的CV曲線

（b）不同循環次數電極的恒流充放電曲線

（c，d）電極在0.25C和0.5C下的循環性能，電極的庫倫效率也表示在圖中。

圖5 進一步的電化學性能表征和循環性能測試

（a）電極在不同循環下的面容量

（b）電極在不同電流密度下的倍率性能

（c）近期文獻與本文中鋰硫電池面容量對比

（d）實驗驗證軟包電池在平坦和彎曲狀態下都能點亮三個藍色LED燈。

圖6 循環后電極的表面形貌表征

（a，b）硫負載量為8.1 mg cm^-2的電極在0.1C100次循環后的SEM和EDS圖像。圖中也列出相應的C，S，O，N元素的像。

圖7 循環后鋰金屬表面的形貌表征

（a）在0.5C循環1000次后鋰金屬表面的SEM圖像

（b-d）（a）中正方形區域在不同放大倍數下的SEM圖像

（e-f）部分粉化的區域（（a）中的點圈部分）

圖8?Li₂S的吸附結構

通過密度泛函理論計算得到最穩定的Li₂S的吸附結構（a）在CNT表面，（b，c）羥基功能化的CNT表面。S，C，Li，H元素分別為黃，黑，紅，綠，灰色。

【結論】

該工作制備出新奇的獨立式三明治電極結構，用于鋰硫電池正極材料。碳材料物理封裝的協同效應和通過化學功能化形成的LiPSs的化學吸附性使得材料的導電性得到提高，多硫化物的溶解受到抑制。此外，優異的電化學性能，特別是高的倍率容量和循環穩定性表明了氧化還原反應動力學的充分進行。這可以認為是電荷傳輸得到了促進和穿梭效應得到了抑制。這種方法將會推動高性能鋰硫電池的進一步發展。

原文鏈接：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）

本文由材料人編輯部新能源學術組wangcong供稿。

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