碳纳米纤维对多硫化物的抑制

日期：2017-12-19 点击次数：1654

碳纳米纤维对多硫化物的抑制

原创 2017-12-19 笨笨鸡

锂硫电池因高理论容量（1675mAh/g）和能量密度（2500 Wh/kg或2800 Wh/L）成为极具前途的储能器件，但由于其本身的一些固有特性又限制了其商业化应用。首先共价键硫的电导率（5×10^30 S/cm）低；多硫化物中间体的高度溶解和扩散特性；锂化过程中的体积变化巨大；穿梭效应引起的副反应等。

目前，已有的报道中通过各种金属氧化物和碳材料（多孔碳，碳纳米管，石墨烯）对硫物理封装以增强硫的导电性或抑制多硫化物在电解质中的溶解，但这些方法多以牺牲硫的负载量。此外，对于零维（0D）碳载体材料（中空/微孔碳球，碳黑，空心碳球），由于其产生较大的接触电阻，导致循环期间的电极温度升高，进一步限制了硫电极的面密度。相反，一维（1D）碳材料能够为电子和离子提供较大的表面积和长距离传导通路，加快动力学步骤并带来高的倍率和机械性能，高表面积和体积比进一步增强了活性材料之间的接触，显示出优异的电化学性能。

图1. 纳米纤维粘合处富硫的首次放电电极(a,b) 和放电电极(c-e)的SEM图像，(f)具有特定润湿角度的凹形多边形的几何模型和(g)重复的单元格。

鉴于此，韩国科学技术院的Kyung Kim教授和蔚山国立科技大学的Hyun-Wook Lee教授（共同通讯）等人采用静电纺丝工艺以碳纳米纤维（CNF）捕获溶解的多硫化物实现高硫负载正极。由于CNF之间的连续结合作用，使得CNF-S电极可充当集流体，省去了聚偏二氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮等聚合物粘合剂。电化学测试表明：CNF-S电极的可逆容量达752 mAh/g，硫含量高达10.5 mg/cm^2，相当于7.90 mAh/cm^2；当硫负载量为4 mg/cm^2时即使在2C的高倍率下仍能然保持较高的可逆容量。 111111

图2. CNF-S电极的电化学测试。载硫分别为2，4和6 mg/cm^2的CNF-S电极的电化学阻抗(a)，CV(b)和倍率(c)，载硫分别为4.4，6.0和10.5 mg/cm^2的CNF-S电极的电位曲线(d)，循环性能(e)，面积容量(f)。 2222222

图3. 无孔平板碳-S和CNF-S电极的比较。(a)铸造的平面PAN片和(b)碳化的平面PAN片的图像。(c,e)平板碳板和(d)CNF的SEM图像，(f)循环的Flat Carbon-S和CNF-S电池的拆解照片，(g)0.1C下平面碳-S和CNF-S电池的循环性能比较。

这种CNF基富硫材料之所以表现出优异的电化学性能，不仅与一维材料的优良电导率有关，CNF网络之间的凹陷处能够很好地粘附粘性的硫和L₂S以及多硫化物，并通过CNF的内聚力表现出高导电性和硫稳定性。

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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