Rangka Kerja Karbon Berongga Dop Kobalt sebagai Hos Sulfur untuk Katod Bateri Sulfur Litium - Bahagian 1
JIN Gaoyao, HE Haichuan, WU Jie, ZHANG Mengyuan, LI Yajuan, LIU Younian
Makmal Utama Wilayah Hunan Sains Antaramuka Bahan Mikro & Nano, Kolej Kimia dan Kejuruteraan Kimia, Universiti Selatan Tengah, Changsha 410083, China
Abstrak
Bateri litium-sulfur dianggap sebagai generasi seterusnya bagi sistem ketumpatan tenaga yang menjimatkan kos dan tinggi untuk penyimpanan tenaga. Walau bagaimanapun, kekonduksian rendah bahan aktif, kesan ulang-alik dan kinetik tindak balas redoks yang lembap membawa kepada pemudar kapasiti yang serius dan prestasi kadar yang lemah. Di sini, rangka kerja karbon berongga tiga dimensi terbitan natrium sitrat yang tertanam dengan nanopartikel kobalt direka bentuk sebagai perumah untuk katod sulfur. Nanopartikel kobalt yang diperkenalkan boleh menyerap polisulfida dengan berkesan, meningkatkan kinetik tindak balas penukaran dan meningkatkan lagi prestasi kitaran dan kadar. Katod yang diperolehi menyampaikan kapasiti nyahcas awal yang tinggi sebanyak 1280 mAh·g-1 pada 0.5C, prestasi kadar tinggi yang sangat baik sehingga 10C dan kapasiti kitaran yang stabil sebanyak 770 mAh·g-1 pada 1C untuk 200 kitaran dengan kecekapan Columbic yang tinggi.
Kata kunci:bateri litium sulfur; nanopartikel kobalt ; tindak balas penukaran; katod sulfur
Bateri litium-sulfur (Li-S) mengandungi unsur sulfur, yang mempunyai kelebihan kelimpahan semula jadi, kos rendah dan kapasiti khusus yang tinggi (1672 mAh∙g-1). Walau bagaimanapun, prestasi yang lemah disebabkan oleh kekonduksian elektrik unsur sulfur yang rendah (5×10-30 S∙cm-1), "kesan ulang-alik" yang disebabkan oleh pelarutan polisulfida dan pengembangan volum yang besar (~80 peratus ) semasa berbasikal menghalang pembangunan bateri Li-S dengan serius. Kajian yang gigih telah ditumpukan kepada isu-isu yang disebutkan di atas, manakala reka bentuk katod membentuk kelas terbesar setakat ini. Kerja sebelumnya tertumpu pada merangkum katod sulfur ke dalam perumah ringan dengan kekonduksian elektronik yang sangat baik, struktur rangka kerja yang teguh dan isipadu liang yang mencukupi. Walaupun bahan berkarbon boleh memenuhi kriteria substrat katod, daya antara hos nonpolar dan spesies litium polysulfides kutub (selepas ini ditandakan sebagai LiPSs) boleh menjadi terlalu lemah. Spesies LiPS polar secara beransur-ansur meresap semasa berbasikal jangka panjang disebabkan oleh kurungan fizikal tunggal. Untuk meningkatkan polariti rangka penghalang, heteroatom telah diperkenalkan ke dalam hos karbon untuk menghasilkan interaksi yang lebih kuat dengan LiPS. Dopan ini boleh menangkap polissulfida terlarut dengan berkesan dan menghalang kesan pengaliran.
Walaupun prestasi katod boleh dipertingkatkan sedikit sebanyak dengan sinergi heteroatom dan rangka kerja karbon, ia masih terhad dengan ketara oleh kinetik lembap tindak balas penukaran polisulfida, yang menyebabkan pengumpulan LiPS yang berlebihan dan penyebaran yang tidak dapat dielakkan. Sebatian logam peralihan telah diperkenalkan secara meluas ke dalam perumah sulfur untuk mempercepatkan kinetik tindak balas penukaran. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, nanozarah logam tertentu, seperti Co, Fe dan Pt, menunjukkan kesan pecutan yang sama. Di antara logam ini, logam kobalt telah menarik perhatian penyelidik kerana kekonduksian yang sangat baik dan interaksi yang kuat dengan polisulfida. Semasa proses pengecasan dan nyahcas, ia boleh menangkap polisulfida dengan berkesan dan menggalakkan tindak balas penukaran. Li, et al. memperoleh karbon terdop Co dan N sebagai perumah sulfur melalui pengkalsinan ZIF-67 prekursor. Nanopartikel Co yang tersebar secara seragam telah mempercepatkan tindak balas redoks dengan kesan sinergik kumpulan N-doped. Tambahan pula, Du, et al. membentangkan atom kobalt monodisperse tertanam katod graphene doped nitrogen, dan Wu, et al. Co nanodots/karbon mesopori terdop N dengan pengkalsinan in-situ adenine dan CoCl2. Dalam semua laporan ini, sistem yang mengandungi Bersama memperoleh prestasi berbasikal yang cemerlang.
Dalam kerja ini, untuk meningkatkan prestasi kitaran dan kadar bateri Li-S, rangka kerja karbon berongga 3D yang dihiasi dengan nanopartikel kobalt telah direka bentuk sebagai hos katod sulfur. Natrium sitrat, bahan tambahan yang murah dan banyak, digunakan sebagai sumber karbon untuk ciri uniknya semasa pengkalsinan langsung. Dan prestasi elektrokimia sistem yang mengandungi kobalt (Co/C-700) dan rangka kerja karbon (HEC-700) telah dinilai secara sistematik untuk memastikan kesan nanopartikel kobalt terdop untuk katod sulfur.
Percubaan
Sintesis bahan
Semua reagen kimia yang digunakan dalam kerja ini adalah gred analitik tanpa penulenan selanjutnya. Secara ringkas, {{0}}.25 g Co(NO3)2·6H2O dan 5.0 g natrium sitrat telah dilarutkan dalam 20 mL air ternyahion di bawah kacau magnet untuk membentuk larutan homogen. Kemudian, larutan itu dikeringkan beku, dikisar menjadi serbuk halus dan dikalsinkan pada 700 darjah di bawah N2 selama 1 jam dengan kadar pemanasan 5 darjah ∙min-1. Komposit yang diperolehi (dinamakan sebagai UWC- 700) telah dibasuh dengan air ternyahion selama 3 kali untuk mengeluarkan produk sampingan. Selepas dikeringkan pada 60 darjah semalaman, produk akhir dikumpul dan dilambangkan sebagai Co/C-700. Untuk mengesahkan lagi kesan Co, karbon terukir asid hidroklorik (HEC-700) telah diperolehi dengan mengetsa Co/C-700 dalam 2 mol/L HCl selama 12 jam, dicuci sehingga neutral dan dikeringkan pada 80 darjah selama 12 jam.
Komposit katod disediakan melalui kaedah resapan lebur konvensional. Secara ringkasnya, campuran komposit sulfur (70wt peratus ) dan Co/C-700 (atau HEC-700) dikisar selama 20 minit, dipindahkan ke dalam autoklaf bekas Teflon 20 mL dan dipanaskan pada 155 darjah selama 12 jam. Serbuk yang diperolehi dikumpul sebagai S@Co/C-700 dan S@HEC-700.
Pencirian bahan dan penjerapan statik polisulfida ditunjukkan dalam bahan sokongan.
Pencirian elektrokimia
Prestasi elektrokimia bagi katod S@Co/C{{0}} dan S@HEC-700 telah diuji oleh CR2025 jenis sel syiling, yang direka dalam kotak sarung tangan berisi argon (MBraun, Jerman). Buburan katod sulfur disediakan dengan mencampurkan S@Co/C-700 (atau S@HEC-700), hitam asetilena dan pengikat polivinilidena difluorida (PVDF) dengan nisbah berat 7 : 2 : 1 dalam N-metil{{10}} pirolidinon (NMP). Kemudian buburan yang diperolehi dituang secara seragam ke atas kerajang Al. Tambahan pula, membran dikeringkan pada 5{56}} darjah di bawah vakum semalaman dan dipotong menjadi cakera (diameter 1 cm) dengan muatan sulfur 1.1-1.7 mg∙cm-2. Membran polipropilena rutin (Celgard 2400) digunakan untuk memisahkan katod dan anod litium. Elektrolit yang digunakan dalam setiap sel ialah 50 μL 1mol/L LiN(CF3SO2)2 dan larutan LiNO3 1wt peratus dalam DOL/DME (isipadu 1:1). Ujian nyahcas caj galvanostatik telah dilakukan oleh sistem ujian bateri LAND CT 2001A (Jinnuo Electronic Co, Wuhan, China) dalam tetingkap voltan 1.7-2.8 V. Pengukuran voltammetri kitaran (CV) dilakukan dari 1.5 hingga 3.0 V pada kadar imbasan 0.1 mV{3∙}. Spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) telah dijalankan dalam julat frekuensi dari 0.1 MHz hingga 10 mHz dengan amplitud voltan 5 mV pada litar terbuka. Pengukuran CV dan EIS telah dijalankan pada Stesen Kerja elektrokimia CHI 660E (Chenhua Instruments Co, Shanghai, China). Sel simetri telah dipasang dengan Co/C-700 atau HEC-700 (8:2 dengan nisbah berat PVDF) sebagai katod dan anod yang sama, dan 50 μL elektrolit 1 mol/L LiN(CF3SO2)2, peratus 1wt LiNO3 dan 0.2 mol/L Li12) dalam larutan DOL/L/L.
Lebih banyak Bahan Bateri Litium ion daripadaTenaga Baru TOB
