<em id="55lzb"></em>
<form id="55lzb"></form>
    <form id="55lzb"><th id="55lzb"><th id="55lzb"></th></th></form>

    <address id="55lzb"><listing id="55lzb"><meter id="55lzb"></meter></listing></address>

      2020-06-08

      教你怎么把硫融進碳孔里面!

      分享到:

      教你怎么把硫融進碳孔里面!

      【研究背景】

      下一代電動汽車、混合動力汽車和儲能系統都需要高容量的蓄電池。鋰硫(Li-S)電池是極具潛力的候選電池之一,因為它們具有高理論容量(1675mAh g-1),能量密度(2600Wh kg-1)比傳統鋰離子電池高出一倍以上。鋰硫電池電極的一個常見做法是在多孔碳中負載硫,原因是硫的導電率非常低,充電/放電過程中產生的多硫化物溶解并在電解質溶液中穿梭。將硫裝入多孔碳宿主可提高導電性并通過物理限制防止溶解。以前,人們致力于控制碳或碳復合材料的孔結構,以便充分地包裹硫,并形成硫和碳的均勻復合物。


      在此過程中,一個相對被忽視的因素是,硫或硫溶解溶液(通常是硫/CS2溶液)與碳的低或者中等相容性導致難以將硫完全裝入多孔碳宿主。事實上,熔融硫在碳表面僅表現出部分濕潤。在傳統的熔體擴散過程中,這種特性導致硫在碳的微孔或介孔中擴散困難。同時,即使在硫溶解在CS2溶液中,由于CS2與碳表面的相容性較低,硫也可能不會很好地滲透到多孔結構中。


      【文章簡介】
      實現多孔碳中硫的充分包覆,是高性能鋰硫電池的關鍵。為此,韓國西江大學Jun Hyuk Moon團隊近日以“Completeen capsulation of sulfur through interfacial energy control of sulfur solutions for high-performance Li?S batteries”為題,在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.發文,從實驗和理論上揭示了硫溶液中碳表面的界面能是推動硫完全包覆的關鍵。

      【文章解讀】

      1. 樣品制備

      作者開發了一種中空多孔碳球(HPCS),這種碳球具有層次孔結構,內部有大孔,殼體內有中孔。使用異丙醇(IPA)或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和CS2的混合溶液制備硫溶液。圖1中比較了各硫溶液和常規硫/CS2溶液滲透沉積硫的情況。硫/CS2溶液由于其在碳表面上的潤濕性低,導致滲透性差,硫在溶劑蒸發后沉積在HPCS外表面。含有IPA的溶液由于其低表面張力而具有低硫溶液-碳界面能,因此提高穿透力。NMP與碳高度相容,因此,含NMP的溶液顯示出增強的滲透性。


      TEM和SEM表征顯示,純CS2溶液溶解硫后制備的樣品,多孔殼和大孔腔中只裝載了少量的硫(圖1D和E)。推測這是由于碳表面的CS2不利于潤濕,導致硫較少滲入碳孔。事實上,如圖2A所示,CS2在碳表面僅部分潤濕。


      采用二元溶劑來改善硫溶液在碳表面的潤濕性,選擇了IPA作為附加溶劑,因為它的表面張力非常低。另外,選擇了NMP,因為它廣泛用于分散CNTs或石墨烯。用這些混合溶液制備的S/HPCS的TEM圖,如圖1G和J所示。使用混合溶劑與使用純CS2獲得的硫負載結果明顯不同,在CS2/IPA制備的S/HPCS中,多孔殼中觀察到硫的存在。使用CS2/NMP溶劑,硫更多地被帶入大孔中。在SEM圖中,用含有IPA或NMP的溶液制備的HPCSs周圍看不到硫殘留物。這些結果證實CS2/IPA和CS2/NMP溶液使硫溶解溶液更完全地滲入HPCSs的孔道。

      教你怎么把硫融進碳孔里面!(圖1)

      圖1(A-C)比較三種不同硫溶解溶液滲透到HPCS中的示意圖。(D,G,J)高倍TEM圖像;(E,H,K)S/HPCS(CS2),(H)S/HPCS(CS2/IPA)和(K)S/HPCS(CS2/NMP)的高倍TEM圖像和線EDX結果;(F,I和L)S/HPCS(CS2,(I)S/HPCS(CS2/IPA)和(L)S/HPCS(CS2/NMP)的低倍SEM圖像。


      2. 接觸角和界面張力

      如圖2所示,在碳表面上測量了CS2、CS2/IPA和CS2/NMP溶液的接觸角分別為53°、17°和17°。CS2/NMP和CS2/IPA的毛細管力分別是CS2的1.7倍和1.4倍。這些結果說明,與CS2溶液相比,含有IPA和NMP的溶液在碳孔中的滲透顯著改善。

      教你怎么把硫融進碳孔里面!(圖2)

      圖2接觸角和每個溶液滴碳表面潤濕的模擬圖像。


      3. 電化學分析

      將不同方法制備的S/HPCS組裝鋰硫電池,在不同掃描速率下的循環伏安曲線,如圖3A-C所示。據此計算和比較每個氧化還原峰處每個樣品的DLi+。對于每個氧化還原峰,S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2/IPA)顯示出遠高于S/HPCS(CS2)的值,揭示了S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2/IPA)電極(5)實現的快速反應動力學。


      圖3E比較了這些電極的電化學阻抗譜。半圓對應于電極/電解液界面氧化還原反應的電荷轉移電阻(Rct),高頻區的直線對應于Warburg阻抗和鋰離子擴散。S/HPCS(CS2/NMP)電極具有最小的半圓和最陡的斜率的直線,這證實了S/HPCS(CS2/NMP)的最小Rct值和最快的擴散速率。

      教你怎么把硫融進碳孔里面!(圖3)

      圖3(A)S/HPCS(CS2),(B)S/HPCS(CS2/IPA)和(C)S/HPCS(CS2/NMP)正極的CV圖。(D)每個正極和負極反應的鋰離子相對擴散速率。(E) S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)正極的Nyquist圖。


      在圖4A-C中比較了S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)正極的恒流充放電曲線。在此,比較了每個電極在不同倍率下的Q2/Q1比,如圖4d–F所示。S/HPCS(CS2)電極的比率非常小,低于1.5,S/HPCS(CS2/NMP)的比值比S/HPCS(CS2/IPA)高,尤其是在較高的倍率下。

      教你怎么把硫融進碳孔里面!(圖4)

      圖4(A)S/HPCS(CS2),(B)S/HPCS(CS2/IPA)和(C)S/HPCS(CS2/NMP)正極的充放電曲線;(D-F)長鏈多硫轉換(Q1)和短鏈多硫轉換(Q2)的容量貢獻以及在不同倍率下的Q2/Q1比。


      4. 電化學性能

      圖5A顯示了S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)電池在1 C時的循環性能,硫含量為75 wt%,電極的硫負載量為1 mg/cm2。S/HPCS(CS2/NMP)在100個循環中的保留率為89%,容量為750mAh/g,S/HPCS(CS2/IPA)的保留率為77%,S/HPCS(CS2)的保留率為44%。此外,比較了電池在85 wt%的高硫含量下的循環性能(圖5B),S/HPCS(CS2/NMP)電池的容量保持率仍保持在80%左右,而S/HPCS(CS2/IPA)電池的容量保持率僅為64%。


      如圖5C所示,S/HPCS(CS2/NMP)電池的長期循環性能可達300圈,在最初40個圈,容量每圈減少0.3%。之后,每圈僅減少0.071%。圖5d和E分別比較了S/HPCS(CS2/NMP)和S/HPCS(CS2)電極充放電前后的形貌,S/HPCS(CS2)表面形成不可逆的Li2S2/Li2S沉淀,不同的是,S/HPCS(CS2/NMP)即使在循環后也沒有表面殘留。


      硫在S/HPCS(CS2/NMP)中的完全包封使Li-S電池具有高體積比容量。在此評估了正極硫密度為0.62 g/cm3、硫含量為4 mg/cm2的電極電池的循環性能。如圖5F所示。該電池在0.2C下的質量比容量為1388 mAh/g,在0.5C下的100個循環中的保留率為86%。與此同時,電極體積比容量在0.2 C和0.5 C分別達到855 mAh/cm3和652 mAh/cm3。

      教你怎么把硫融進碳孔里面!(圖5)

      圖5(A和B)S/HPCS(CS2)、S/HPCS(CS2/IPA)和S/HPCS(CS2/NMP)電池的循環性能。(C)硫含量為85%的S/HPCS(CS2/NMP)電池在2 C下的循環性能。(D)S/H-PCS(CS2/NMP)電極和(E)S/H-PCS(CS2)電極50次循環前后的SEM圖像。(F)S/HPCS(CS2/NMP)電極在0.5 C下的比容量和容量。(G)實驗結果與使用類似硫負載的最新結果的比較。


      【結論】

      綜上所述,通過控制硫溶解溶液的界面能,調控了硫在HPCSs中的負載。廣泛使用的硫/CS2溶液由于CS2界面能高,不易滲透到多孔炭中。使用含有IPA或NMP的混合溶液,可以通過改善碳表面的潤濕性,顯著改善溶液在孔隙中的滲透。特別是采用低界面能的NMP與碳結合,可以更有效地改善滲透性,實現完全的硫包覆。電化學測試結果發現,硫負載的控制對鋰硫電池的性能有很大的影響。該文章提出的方法可以作為一種簡單而精確的控制技術,用于制備高性能的硫正極復合材料。

       

      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


      上一篇:全固態電池從研發到實用還有多遠?
      下一篇:高安全鈉離子電池材料如何設計?

      在線咨詢

      服務熱線

      咨詢電話: 0755-28909182 13824381687

      官方微信

      欧美日韩在线无码一区二区三区_日本高清不卡一区二区三区_黄色视频网站_欧美经典三级中文字幕