碳納米纖維對多硫化物的抑制

日期：2017-12-19 點擊次數(shù)：1967

碳納米纖維對多硫化物的抑制

原創(chuàng) 2017-12-19 笨笨雞能源學人

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)化應用。首先共價鍵硫的電導率（5×10^30 S/cm）低；多硫化物中間體的高度溶解和擴散特性；鋰化過程中的體積變化巨大；穿梭效應引起的副反應等。

目前，已有的報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）對硫物理封裝以增強硫的導電性或抑制多硫化物在電解質中的溶解，但這些方法多以犧牲硫的負載量。此外，對于零維（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，導致循環(huán)期間的電極溫度升高，進一步限制了硫電極的面密度。相反，一維（1D）碳材料能夠為電子和離子提供較大的表面積和長距離傳導通路，加快動力學步驟并帶來高的倍率和機械性能，高表面積和體積比進一步增強了活性材料之間的接觸，顯示出優(yōu)異的電化學性能。

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)重復的單元格。

鑒于此，韓國科學技術院的Kyung Kim教授和蔚山國立科技大學的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現(xiàn)高硫負載正極。由于CNF之間的連續(xù)結合作用，使得CNF-S電極可充當集流體，省去了聚偏二氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮等聚合物粘合劑。電化學測試表明：CNF-S電極的可逆容量達752 mAh/g，硫含量高達10.5 mg/cm^2，相當于7.90 mAh/cm^2；當硫負載量為4 mg/cm^2時即使在2C的高倍率下仍能然保持較高的可逆容量。 111111

圖2. CNF-S電極的電化學測試。載硫分別為2，4和6 mg/cm^2的CNF-S電極的電化學阻抗(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)異的電化學性能，不僅與一維材料的優(yōu)良電導率有關，CNF網(wǎng)絡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的內聚力表現(xiàn)出高導電性和硫穩(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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