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Li-S电池:多离子通道3D多孔碳片

Li-S电池:多离子通道3D多孔碳片

社会的不断发展和科技的日新月异对电化学储能技术不断提出了更高的要求,寻找具有更高比能量的下一代二次电池已迫在眉睫。锂硫电池是一种基于硫与锂之间的可逆电化学反应来实现高效能量储存和释放的电池体系,其理论比能量可达到2600Wh/kg,是传统商业锂离子电池的3-5倍,因此有望应用于动力电池、便携式电子产品等众多领域。然而,活性材料的电导率低及其在充放电过程中的体积变化,以及电池内部反应产生的多硫化物的穿梭效应导致了材料利用率低和电池循环寿命短等问题,限制了其商业化发展和实际应用。

近日,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课题组合作在锂硫电池正极材料的研究中取得新进展,在Advanced Energy Materials上发表了名为“3DPorous Carbon Sheets with Multidirectional Ion Pathways for Fast and Durable Lithium–SulfurBatteries”的文章。在这项工作中,研究人员以蔗糖和五氧化二磷为前驱体,通过固相预热处理制备二维前驱体,并经过随后的程序煅烧制备了具有多孔结构的二维片状碳材料(porouscarbon sheets, PCS)。通过与传统的二维石墨烯材料对比,发现所制备的PCS材料具有以下优点:1) 大面积碳纳米片构建的三维网络结构可以为硫的电化学反应提供快速长程的电子、离子传输;2) 丰富的多孔结构有利于硫的分散和存储以及对多硫化锂的物理吸附,而超高的比表面积硫提供了大量的反应和沉积界面;3) 二维结构优异的机械性能以及较高的孔隙率可以有效缓冲电极充放电过程中的体积变化;4) PCS纳米片中独特的多孔结构可提供大量的多方向的离子传输通道,为硫的电化学反应提供充足快速的离子传输提高其利用率及反应动力学;5) PCS表面丰富的含氧、含磷官能团能够有效化学吸附多硫化锂抑制其在充放电过程中的穿梭效应,提高电池的循环寿命。

Li-S电池:多离子通道3D多孔碳片

图1. S/PCS复合材料合成示意图

 Li-S电池:多离子通道3D多孔碳片

图2. rGO与PCS的TEM图片对比

Li-S电池:多离子通道3D多孔碳片

图3. rGO和PCS吸附多硫化物的紫外-可见光谱和光学图片对比(a);PCS材料吸附Li2S6前后的S 2p(b)和Li1s (c) XPS分峰对比


得益于以上优点,基于PCS的锂硫电池表现出优异的电化学性能。在0.2C (1C = 1675mA/g)倍率下S@PCS的比容量高达1344mAh/g,具有很高的活性物质利用率;在高达10C的测试倍率下电池仍具有693.3mAh/g的放电比容量,表现快速的反应动力学和优异的倍率性能;而在长达1000圈的循环过程中,容量衰减率仅为0.025%每圈,具备优异的循环稳定性。此外,得益于其优异的结构特性,PCS可实现高达90wt%的硫载量,以及在传统工艺下获得高达5.5mg/cm2的面积硫载量以及稳定的4.8mAh/cm2面积比容量

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图4. S@rGO电极和S@PCS电极在0.2C倍率下的充放电曲线对比(a);S@rGO电极和S@PCS电极在0.1mVs-1的扫速下的循环伏安图对比(b);S@rGO电极和S@PCS电极在0.2C倍率下的循环稳定性对比(c);S@rGO电极和S@PCS电极的倍率性能对比(d);S@PCS电极在1C倍率下的长循环稳定性能测试(e)

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图5. S@rGO电极和S@PCS电极的自放电测试(a)和局部放大图(b);S@rGO电极和S@PCS电极静置前后的充放电曲线变化(c);充放电前后,S@rGO电极和S@PCS电极中锂片(d)和隔膜(e)光学图片;充放电前后,S@rGO电极和S@PCS电极中的隔膜EDX谱图对比(f);原始锂片(g)和充放电前后,S@rGO电极(h)和S@PCS电极(i)中锂片的SEM图片

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图6. 不同硫载量S@PCS电极的充放电曲线图(a);不同硫载量S@PCS电极的循环稳定性图(b);S@PCS电极中不同硫载量所对应的比容量柱状图(c). 不同硫面积载量S@PCS电极的循环稳定性图(d);硫面积载量为5.5mg cm-2时S@PCS电极的长循环稳定性图


该工作创新性的设计了磷氧双掺杂多孔碳二维材料并将其应用于高性能的锂硫电池中。基于该二维材料卓越的导电能力和优异的硫吸附能力使得该复合材料复合显著抑制了多硫化物的溶解和穿梭效应。该工作从组分设计、结构设计和材料设计三方面入手,最大限度的提升了电极材料的电化学性能,也为其他能量存储与转化领域的材料设计与研究打下了坚实的基础。


Gaoran Li, Wen Lei, Dan Luo, Ya-Ping Deng, Deli Wang, Zhongwei Chen, 3D Porous Carbon Sheets with Multidirectional Ion Pathways for Fast and Durable Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater., 2017, 1702381, DOI:10.1002/aenm.201702381

                             

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