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来自爆米花的灵感:蜂窝状多孔碳高性能储硫

来自爆米花的灵感:蜂窝状多孔碳高性能储硫

蜂窝状多孔碳由于其优异的化学、机械和热稳定性,良好的导电性以及高的表面积等特性在储能材料领域备受关注。许多技术用于制备大孔碳,例如:模板,悬浮液,微流体,膜/微通道乳化和接种乳液聚合等。但是这些方法需要多个合成步骤,复杂的化学处理过程和较长的固化时间。因此,开发制备大孔材料的简便方法是非常有意义的。

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图1 (a)PRC制备过程机理图;(b)稻米与膨化稻米比较图;(c)PRC合成过程的光学图像;(d-g)PRC的SEM图;(h-i)PRC的TEM图。

近期,浙江大学夏新辉、浙江工业大学夏阳和清华大学张强等人受来自爆米花制备过程的灵感,以稻米为原材料,通过瞬时膨化过程,合成出多孔蜂窝状的膨化稻米碳(PRC),再与金属Ni和S掺杂,得到PRC/Ni/S复合物。作为锂硫电池阴极,PRC/Ni/S电极表现优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Energy Mater.上。

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图2 (a)PRC/Ni/S电极的CV图;(b)PRC/Ni/S,PRC/S和 3D rGO/S电极的倍率性能图;(c)在0.5C下,PRC/Ni/S,PRC/S和 3D rGO/S电极的充放电曲线图;(d)PRC/Ni/S,PRC/S和 3D rGO/S电极的阻抗图;(e)在0.2C下,PRC/Ni/S,PRC/S和 3D rGO/S电极的循环性能图;在0.05,0.1和 0.2 C下,PRC/Ni/S,PRC/S和 3D rGO/S电极的循环性能图(f)和充放电曲线图。

值得注意的是,当金属Ni嵌入膨化稻米碳时,PRC/Ni复合物表现出高电导率(72000 S/m),孔隙率(85.1%)和比表面积(1492.2 m^2/g)。PRC/Ni复合物负载上硫,作为锂硫电池阴极,PRC/Ni/S电极表现出良好的循环稳定性和倍率性能。在电流密度0.2C和硫负载量为2.0 mg/cm^2下,PRC/Ni/S电极首次比容量为1257.2 mAh/g,循环500次后,比容量为821 mAh/g。在硫负载量4.0 mg/cm^2下,PRC/Ni/S电极在0.05,0.1和0.2 C电流密度下放电比容量分别为894.1,692.5,563.8 mAh/g。对于PRC/Ni/S电极拥有如此优越的电化学性能,作者做出下列解释:(1)PRC的3D多孔结构提供了物理限域的作用;(2)Ni / NiO与多硫化物之间强的化学相互作用对可溶性中间体提供了额外的亲和力,因此将金属及其氧化物引入PRC可提高硫的利用率;(3)多孔蜂窝状的结构可以限域硫,与互连电子通路的有效接触;(4)互连的多孔网络碳骨架和镍纳米粒子提供短的离子扩散通道,增强动力学;(5)多孔结构可以有效的缓解充放电过程中体积膨胀的问题。此成果为以后设计大孔材料提供了新的借鉴。


参考文献:

YuZhong, Xinhui Xia, Shengjue Deng, Jiye Zhan, Ruyi Fang, Yang Xia, Xiuli Wang, Qiang Zhang, and JiangpingTu. Popcorn Inspired Porous Macrocellular Carbon: Rapid Puffing Fabrication from Rice and Its Applications in Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater. 2017,DOI: 10.1002/aenm.201701110.

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