湖北大學王賢保教授課題組:構築“Boxes in Fibers”三維導電網絡作鋰硫電池正極材料

鋰硫電池(Li-S)是一種以金屬鋰作為負極,單質硫或硫基復合材料作為正極的二次電池,其能量密度高達2600 Wh kg-1,近年來獲得瞭廣泛的關註。目前鋰硫電池主要存在著硫導電性差、穿梭效應、充放電過程中形貌易坍塌等問題。同時鋰硫電池正極材料還面臨著硫負載量低(< 2.0 mg cm-2)和充放電倍率低(< 2 C)等問題,導致電池能量密度低,難以應用於商業化。

湖北大學王賢保教授課題組:構築“Boxes in Fibers”三維導電網絡作鋰硫電池正極材料
圖1.CNB-TiC@CNF/S的制備過程。

針對上述問題,湖北大學王賢保教授課題組提出“Boxes in Fibers”策略,通過靜電紡絲技術,將碳納米盒與碳化鈦納米顆粒串入碳纖維紡絲之中,構築三維分層次導電網絡CNB-TiC@CNF/S復合正極材料用於鋰硫電池。該材料具有以下優點:

1.碳納米纖維的孔隙與碳納米盒的空腔為硫的負載提供大量空間;

2.氮摻雜的碳納米纖維與碳化鈦納米顆粒促進電子轉移和離子擴散,並提高材料整體的導電性;

3.化學位點與物理位點協同實現高效的表面反應,並有效緩解穿梭效應;

4.材料的互連性與多孔性保證整體結構在充放電循環過程中的穩定性。

湖北大學王賢保教授課題組:構築“Boxes in Fibers”三維導電網絡作鋰硫電池正極材料
圖2. CNB-TiC@CNF/S的(a, b)FESEM圖;(c) TGA曲線;(d, e) HAADF-STEM圖、EDX線性元素分佈與映射圖;(f) BET比表面積和孔徑分佈曲線。
湖北大學王賢保教授課題組:構築“Boxes in Fibers”三維導電網絡作鋰硫電池正極材料
圖3. CNB-TiC@CNF/S的電化學性能 (a, b) 0.5 C倍率下的充放電曲線與循環曲線對比;(c) 0.2 C倍率不同硫負載量下的循環曲線;(d) 倍率性能;(e) 3 C和10 C倍率下的循環曲線。
湖北大學王賢保教授課題組:構築“Boxes in Fibers”三維導電網絡作鋰硫電池正極材料
圖4. 三維導電網絡結構及機理圖。

研究團隊構築的“boxes in fibers”三維導電網絡結構CNB-TiC@CNF/S做鋰硫電池的正極材料。宏觀上,碳納米纖維串著碳納米盒與碳化鈦納米顆粒構成項鏈狀三維導電網絡,其互連與多孔結構有效緩解瞭體積膨脹問題。

微觀上,孔隙與空腔提供瞭巨大的載硫空間,同時化學/物理位點阻止多硫化物的溶解,減輕瞭穿梭效應。該電極材料在高倍率及高載硫量下均具有優異的放電容量與循環穩定性。它在0.1 C倍率下初始放電容量為1611 mAh g-1,接近理論比容量的1675 mAh g-1。

在0.5 C倍率下循環100圈,容量保持在1363 mAh g-1。10 C倍率下電池初始容量為1087 mAh g-1,循環400圈容量衰減率每圈僅為0.15%。當硫負載量達到9.2 mg cm-2時,50圈循環後容量為7.90mAh cm-2。該項工作為鋰硫電池的實際應用提供瞭可靠的思路和方法。

該研究成果以“A“boxes in fibers” strategy to construct a necklace-like conductive network forthe high-rate and high-loading lithium-sulfur batteries”發表於《Journalof Materials Chemistry A》,課題組的本科生周詩遠與劉佳鵬同學為共同第一作者,梅濤副教授與王賢保教授為共同通訊作者。

文章鏈接:

https://doi.org/10.1039/D0TA04089D

課題組網站:

http://matsci.hubu.edu.cn/wxbtd.htm

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