鋰硫電池中嵌入石墨烯,碳納米管和片狀石墨陰極中的C–S鍵

2020-12-03 材料分析與應用

本文要點：

石墨烯，碳納米管和片狀石墨通過硫的熔融擴散過程被引入作為硫主體/邊界，以製造碳載硫陰極。

背景及成果簡介

鋰硫（Li–S）電池是可再充電電池候選者，它們具有高比容量和能量密度，具有成本低且環保。然而，一些技術問題在工業應用的路徑上提出了重大挑戰，即容量衰減和庫倫效率衰減，這是充電/放電循環過程中可溶性多硫化物穿梭效應所固有的。具有出色的導電支架和具有各種形態的柔性結構的碳材料可以作為解決此問題的方法。

本文，通過精心設計的熔融擴散程序，製備了三種具有不同結構石墨烯，碳納米管（CNT）和片狀石墨的碳基硫嵌入陰極。硫含量在60至73％之間變化。在這三個碳/ S陰極中，超過100個循環，石墨烯/ S陰極的放電容量為840 mA hg-1在0.2 Ag-1的電流密度，其平均庫倫效率為99.4％以上，這表明最好循環穩定性和可逆性。在較高的電流速率（1 A g –1）下，CNT / S達到了518 mA hg –1的最佳容量在這三個陰極中，在高速率條件下顯示出優異的硫利用率。X射線光譜顯示了石墨烯/ CNT表面與羰基，羥基和醚基之間的化學鍵合證據，從而在陰極側形成了良好限制的多硫化物，從而顯著抑制了可溶性多硫化物在充電過程中的移動並有效地降低硫的容量衰減。這種獨特的結構是出色電化學性能的潛在解釋。

圖文導讀

圖1.（a）石墨烯，（b）石墨烯/ S，（d）CNT，（e）CNT / S，（g）石墨和（h）石墨/ S材料的SEM圖像；（c）石墨烯/ S，（f）CNT / S和（i）石墨/ S中硫的元素圖譜。

圖2.（a）石墨烯，CNT，石墨，石墨烯/ S，CNT / S，石墨/ S和純硫材料的XRD圖；（b）TGA分析石墨烯/ S，CNT / S，石墨/ S和純S材料，採用氮氣保護，最低20°C –1加熱速率；（c）在石墨烯，碳納米管和石墨材料上N 2吸附-解吸的等溫線；（d）BJH石墨烯，CNT和石墨的孔徑分布。

圖3.（a）石墨烯，（b）石墨烯/ S，（c）CNT，（d）CNT / S，（e）石墨和（f）石墨/ S材料中C 1s的XPS光譜。

圖4.（a）純S，（b）石墨烯/ S，（c）CNT / S和（d）石墨/ S材料中S 2p的XPS光譜。

圖5.（a）電流密度為200 mA g –1的石墨烯/ S，CNT / S，石墨/ S和純硫陰極的循環性能；

（b）石墨烯/ S，（c）CNT / S和（d）石墨/ S在不同循環下的比容量電勢圖；

（e）石墨烯/ S，CNT / S和石墨/ S陰極的高速率性能；

（f）石墨烯/ S，（g）CNT / S和（h）石墨/ S陰極在不同的高倍率充電/放電電流密度下的比容量電勢圖。

圖6.循環前後陰極的SEM照片

小結

石墨烯，碳納米管和片狀石墨通過硫的熔融擴散過程被引入作為硫主體/邊界，以製造碳載硫陰極。使Li-S電池的硫負載量可以達到60-73 wt％。我們準備了三個嵌入硫的碳陰極（石墨烯，CNT和片狀石墨），並在相同的實驗設置下比較了它們的循環性能和高倍率性能。在這三個陰極中，石墨烯/ S陰極在低倍率充電/放電條件下表現出最佳的循環穩定性和高可逆性，而CNT / S陰極在高倍率充電/放電條件下具有更好的容量。C–S相互作用被徹底表徵，可以解釋石墨烯/ S和CNT / S陰極的出色電化學性能。

參考文獻：

C–S Bonds in Sulfur-Embedded Graphene, Carbon Nanotubes, and Flake Graphite Cathodes for Lithium–Sulfur Batteries

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