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厦门大学Nano Energy:相互连接的核壳碳纳米球构建纤维网用于高性能锂硫电池

 
发布日期:2018-10-12
 

具有高理论能量密度、低成本和环境友好等优点,锂硫(Li-S)电池成为下一代储能装置有望的候选者。然而,高硫负载条件下容量快速衰减限制了Li-S电池实际应用。因此,如何构建高容量和循环性能稳定的具有高硫负载正极是Li-S电池的重要发展方向。设计具有特殊结构的电极材料十分必要。核壳结构能够充分利用其核心和外壳各自的优点广泛应用于许多研究领域,例如能量转换和储存,催化和药物控释。更重要的是,空心壳可以为内芯提供保护空间,作为电极材料时,可以缓冲充放电过程中的体积膨胀。设计核壳结构是提高高硫负载Li-S电池性能的有效途径,但是目前核壳结构很少应用于自支撑碳/硫正极材料。

近日,厦门大学方晓亮副教授课题组在国际著名期刊Nano Energy上发表了题目为“Fiber network composed of interconnected yolk-shell carbon nanospheres for high-performance lithium-sulfur batteries”的论文。该研究开发了一种简便的静电纺丝方法,用于合成互连的核壳结构碳纳米球组装纤维网,以构建自支撑硫正极材料。受益于高表面积、氮原子掺杂以及核与壳之间的协同作用,核-壳碳纤维有望成为高硫负载Li-S电池的硫主体材料。含有70wt%和4 mg cm-2的硫,核-壳碳纤维网衍生的自支撑正极在1C电流密度下循环500次后表现出82.8%的高容量保持率。因此,这项工作为开发高性能Li-S电池的提供了新策略。


图1 静电纺丝制造核-壳碳纤维网的示意图。


图2. (a,b) BCN@HCS薄膜的光学照片。(c) BCN@HCS薄膜截面SEM图像。(d~g) BCN@HCS纤维的SEM图像。(h,i) BCN@HCS纤维TEM图像。HCS纤维的 (j) SEM图像和 (k) TEM图像。BCN颗粒的 (L) SEM图像和 (m) TEM图像。


图3. (a) N2吸附等温线和 (b) BCN@HCS,HCS和BCN的孔径分布,BCN@HCS的 (c) XPS光谱和 (d) N 1s XPS光谱。


图4. 具有70wt%硫的BCN@HCS/S复合物的表征:(a,b) SEM图像,(c) EDX光谱,(d) TGA曲线,(e,f) TEM图像,(g) STEM图像和相应的元素分布。


图5. (a~d) 0.2 C时的放电/充电曲线:(a) BCN@HCS/S-70正极,(b) BCN/S-64正极,(c) HCS/S-70正极,和(d) BCN+HCS/S-66正极。(e) 在0.2C下的四个正极的循环性能。(f) 四个正极阻抗图。(g~j) 100次循环后Li负极的SEM图像:(g)BCN@HCS/S-70电池,(h) BCN/S-64电池,(i) BCN+HCS/S-66电池和(j) HCS/S-70电池。


图6. (a) 不同密度下BCN@HCS/S-70正极的充电/放电曲线。(b) BCN@HCS/S-70正极的倍率性能。(c) BCN@HCS/S正极在1C下的长周期循环性能。(d) BCN@HCS/S-70正极在1C下的充电/放电曲线。(e) BCN@HCS/S-70在8、12和16 mg cm-2硫负载量1C下的循环性能。(f) 在0.1C电池密度16mg cm-2硫负载量下,BCN@HCS/S-70正极的充电/放电曲线。

 
 
 

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