碳納米纖維對(duì)多硫化物的抑制

日期：2017-12-19 點(diǎn)擊次數(shù)：1966

碳納米纖維對(duì)多硫化物的抑制

原創(chuàng) 2017-12-19 笨笨雞能源學(xué)人

鋰硫電池因高理論容量（1675mAh/g）和能量密度（2500 Wh/kg或2800 Wh/L）成為極具前途的儲(chǔ)能器件，但由于其本身的一些固有特性又限制了其商業(yè)化應(yīng)用。首先共價(jià)鍵硫的電導(dǎo)率（5×10^30 S/cm）低；多硫化物中間體的高度溶解和擴(kuò)散特性；鋰化過程中的體積變化巨大；穿梭效應(yīng)引起的副反應(yīng)等。

目前，已有的報(bào)道中通過各種金屬氧化物和碳材料（多孔碳，碳納米管，石墨烯）對(duì)硫物理封裝以增強(qiáng)硫的導(dǎo)電性或抑制多硫化物在電解質(zhì)中的溶解，但這些方法多以犧牲硫的負(fù)載量。此外，對(duì)于零維（0D）碳載體材料（中空/微孔碳球，碳黑，空心碳球），由于其產(chǎn)生較大的接觸電阻，導(dǎo)致循環(huán)期間的電極溫度升高，進(jìn)一步限制了硫電極的面密度。相反，一維（1D）碳材料能夠?yàn)殡娮雍碗x子提供較大的表面積和長距離傳導(dǎo)通路，加快動(dòng)力學(xué)步驟并帶來高的倍率和機(jī)械性能，高表面積和體積比進(jìn)一步增強(qiáng)了活性材料之間的接觸，顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖1. 納米纖維粘合處富硫的首次放電電極(a,b) 和放電電極(c-e)的SEM圖像，(f)具有特定潤濕角度的凹形多邊形的幾何模型和(g)重復(fù)的單元格。

鑒于此，韓國科學(xué)技術(shù)院的Kyung Kim教授和蔚山國立科技大學(xué)的Hyun-Wook Lee教授（共同通訊）等人采用靜電紡絲工藝以碳納米纖維（CNF）捕獲溶解的多硫化物實(shí)現(xiàn)高硫負(fù)載正極。由于CNF之間的連續(xù)結(jié)合作用，使得CNF-S電極可充當(dāng)集流體，省去了聚偏二氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮等聚合物粘合劑。電化學(xué)測(cè)試表明：CNF-S電極的可逆容量達(dá)752 mAh/g，硫含量高達(dá)10.5 mg/cm^2，相當(dāng)于7.90 mAh/cm^2；當(dāng)硫負(fù)載量為4 mg/cm^2時(shí)即使在2C的高倍率下仍能然保持較高的可逆容量。 111111

圖2. CNF-S電極的電化學(xué)測(cè)試。載硫分別為2，4和6 mg/cm^2的CNF-S電極的電化學(xué)阻抗(a)，CV(b)和倍率(c)，載硫分別為4.4，6.0和10.5 mg/cm^2的CNF-S電極的電位曲線(d)，循環(huán)性能(e)，面積容量(f)。 2222222

圖3. 無孔平板碳-S和CNF-S電極的比較。(a)鑄造的平面PAN片和(b)碳化的平面PAN片的圖像。(c,e)平板碳板和(d)CNF的SEM圖像，(f)循環(huán)的Flat Carbon-S和CNF-S電池的拆解照片，(g)0.1C下平面碳-S和CNF-S電池的循環(huán)性能比較。

這種CNF基富硫材料之所以表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，不僅與一維材料的優(yōu)良電導(dǎo)率有關(guān)，CNF網(wǎng)絡(luò)之間的凹陷處能夠很好地粘附粘性的硫和L₂S以及多硫化物，并通過CNF的內(nèi)聚力表現(xiàn)出高導(dǎo)電性和硫穩(wěn)定性。

Jong Hyuk Yun, Joo-Hyung Kim, Do Kyung Kim and Hyun-Wook Lee, Suppressing Polysulfide Dissolution via Cohesive Forces by Interwoven Carbon Nanofibers for High-Areal-Capacity Lithium? Sulfur Batteries, Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04425

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