Fleksible papirelektroder med ultrahøj belastning til lithium-svovl-batterier

Med den hurtige udvikling af bærbare elektroniske enheder, elektriske biler, og lagring af vedvarende energi, højdensitetsenergilagringssystemer er nødvendige. Lithium-ion batterier, selvom det er modent og bredt brugt, er stødt på den teoretiske grænse og kan derfor ikke opfylde det presserende behov for høj energitæthed. Lithium-svovl batterier, ejer en teoretisk energitæthed på 2600 Wh kg-1, som er cirka 4 gange så meget som kommercielt brugte lithium-ion-batterier, anses for at være stærke kandidater. Overfloden og den miljøvenlige natur af grundstoffet svovl som katodemateriale er faktorer i lithium-svovlbatteriers enorme potentiale. Kombinationen af ​​nanocarbon og svovl er effektiv til at overvinde svovlens isolerende natur til lithiumsvovlbatterier.

"På grund af fremragende elektrisk ledningsevne, mekanisk styrke og kemisk stabilitet, nanocarbon-materialer har spillet en væsentlig rolle inden for avanceret energilagring, " sagde Dr. Qiang Zhang, lektor ved Institut for Kemiteknik ved Tsinghua University.

Imidlertid, de fleste bidrag vedrørende carbon/svovl-kompositkatoder har en relativt lav arealbelastning af svovl på mindre end 2,0 mg cm ^-2 , hvilket forhindrede den fulde demonstration af den fremragende ydeevne af C/S kompositkatoder. "Arealkapaciteten af ​​kommercielt brugte lithium-ion-batterier er omkring 4 mAh cm ^-2 , og derfor, arealbelastningen af ​​svovl i katoden på lithium-svovl-batterier skal forbedres væsentligt, " sagde Qiang.

For nylig, forskere fra Tsinghua University har skabt en fritstående carbon nanorør papirelektrode med høj svovlbelastning til lithium-svovl-batterier.

En bottom-up-strategi blev anvendt, og en hierarkisk struktur blev designet og opnået.

"Vi vælger carbon nanorør (CNT) som byggesten", Qiang fortalte Phys.org, "CNT'er er et af de mest effektive og effektive ledende fyldstoffer til elektroder. Vi valgte korte multi-walled CNT'er (MWCNT'er) med længder på 10-50 μm som kortrækkende elektrisk ledende netværk til at understøtte svovl, såvel som superlange CNT'er med længder på 1000-2000 μm fra vertikalt justerede CNT'er (VACNT'er) som både ledende netværk med lang rækkevidde og inter-penetrerede bindere til den hierarkiske fritstående papirelektrode."

"Vi udvikler en bottom-up-rutine, hvor svovl først blev godt spredt ind i MWCNT-netværket for at opnå MWCNT@S-byggesten, og derefter blev MWCNT@S og VACNT'er samlet til makro-CNT-S-film via dispersionen i ethanol efterfulgt af vakuum filtrering", Zhe Yuan, en studerende ved Tsinghua University, forklaret, "Sådanne svovlelektroder med hierarkiske CNT-stilladser kan rumme over 5 til 10 gange svovlarten sammenlignet med konventionelle elektroder på metalfoliestrømsamlere, mens det høje udnyttelsesniveau af svovl opretholdes."

I de fleste rapporterede Li-S-celler, aluminiumsfolie blev brugt som strømopsamler, og en rutinemæssig gyllebelægningsprocedure blev i vid udstrækning brugt. Imidlertid, der var et forhold på 10 til 50 vægt% bindemidler, ledende midler, samt modifikation af prækursorer i elektroden, hvilket neutraliserede fordelen ved Li-S system i høj specifik kapacitet.

Heri, ingen aluminiumsfolie eller bindemidler blev brugt i denne forskning.

"En indledende afladningskapacitet på 6,2 mAh cm ^-2 (995 mAh g-1), 60 % udnyttelse af svovl, og en langsom cyklisk fadinghastighed på 0,20 %/cyklus inden for de indledende 150 cyklusser ved en lav strømtæthed på 0,05 C blev opnået, " siger medforfatter Jia-Qi Huang fra Tsinghua University. "Arealkapaciteten kan øges yderligere til 15,1 mAh cm ^-2 ved at stable tre CNT-S papirelektroder, med en areal svovlbelastning på 17,3 mg cm ^-2 som katoden i en Li-S-celle." Dette arbejde blev offentliggjort på bind 24, Nummer 39 af Avanceret funktionelt materiale den 22. okt. 2014.

Dette proof-of-concept-eksperiment indikerer, at det rationelle design af den nanostrukturerede elektrode giver mulighed for effektiv brug af aktive materialer som praktisk belastning. "Den nuværende bottom-up-elektrodefremstillingsprocedure er effektiv til fremstilling af fleksible papirelektroder i stor skala med god fordeling af alle funktionelle forbindelser, hvilket også er gunstigt for grafen, CNT-grafen, CNTmetaloxidbaserede fleksible elektroder, " sagde Qiang. "Den som opnåede fritstående papirelektrode er lovende til de allestedsnærværende anvendelser af Li-S-batterier med lave omkostninger, høj energitæthed til fremtidige fleksible elektroniske enheder såsom smart elektronik og roll-up displays."