Carbon:可擴展生產多層鋰硫電池的氮摻雜碳

2020-11-25 騰訊網

本文要點：

使用三聚氰胺生產N摻雜碳的可擴展精加工路線。

電化學分析氮摻雜的影響。

N摻雜的積極影響已成功地從紐扣電池轉移到袋裝電池。

獲得具有238 Whkg-1的比能量密度的原型電池。

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成果簡介

鋰硫（Li–S）電池是具有高比能量的下一代二次電池的目標候選產品。本文提出一種新穎的可擴展合成方法，其通過三聚氰胺浸漬和隨後的熱分解從商業炭黑材料生產高度多孔的氮摻雜碳。在大於100 g的批次水平上證明了工藝放大規模。通過熱解溫度和碳與三聚氰胺的比例控制氮的摻雜。硫碳陰極在中等的電解質與硫比為7μLmg S -1時表現出增強的循環壽命。特別是在稀薄條件下，低電解質含量為5μLmgS-1，氮官能團顯著提高了活性物質的利用率和容量保持率。將氮摻雜的支架集成到五層原型電池（71×46mm2）中，該電池的容量高達0.87 Ah，在堆疊水平上達到238 Whkg -1的比能量密度。這些結果為實際應用氮摻雜碳提供了新的見解。

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圖文導讀

圖1。示意性地展示了氮摻雜的科琴黑的熱精加工路線。

圖2。氮和氮摻雜樣品的氮離子吸附等溫線（a），水物理吸附等溫線（b），以及氮摻雜碳的元素分析結果（c）。

圖3。未摻雜的KB（a，b）的SEM和TEM圖像以及KB-500（c）和KB-M-800（d）碳的TEM圖像。

圖4。卷到卷工藝後的雙面陰極（a），用於袋式電池評估的雷射切割電極（b），一個組裝的袋式電池（c）和專門設計的用於恆壓測量的工具（d）。

圖5。袋裝電池水平上的電解質體積為5μLmg S -1時，純正KB（b）和N摻雜KB（c）的恆電流循環性能（a）和相應的電壓曲線。

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小結

引入了可擴展的合成後三聚氰胺浸漬功能化路線，首次大規模實現從商業炭黑中獲得N摻雜碳。該精加工工藝成功應用於生產適用於卷對卷幹法加工的Li–S陰極材料。為了證明實際應用中的高比能，對袋式電池中新型陰極材料的評估至關重要。用於電化學評估的參數設置與紐扣電池的設置明顯不同。因此，這些發現提供了對低電解液量循環過程的更好了解，因為它們與實際電池有關（例如潤溼，陰極膨脹和循環過程中的體積變化），並揭示了N摻雜碳支架的電池性能得到改善。適用於稀薄的電解液。克服這一「電解質差距」是進一步提高實際Li-S電池比能的主要目標之一。

文獻：

Scalable production of nitrogen-doped carbons for multilayer lithium-sulfur battery cells

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.037

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