具有核殼纖維結構的雙功能鋰硫電池正極

由於具有較高的理論能量密度(質量能量密度~2675 Wh kg-1

與體積能量密度2800 Wh L-1,約為當前鋰離子電池體系的五倍)與低廉的正極材料價格,鋰硫電池被認為是很有前景的下一代電化學儲能體系。然而,鋰硫電池充放電的反應中,一些固有的缺陷極大的阻礙了鋰硫電池的商業化進程。如單質硫的低電子電導率會增加充放電過程中的極化,多硫中間產物的穿梭效應,以及單質硫與Li2S相互轉變過程中較大的體積膨脹對正極基體材料的破壞,都會導致鋰硫電池容量的快速衰減。

近期,倫斯勒理工學院的Nikhil Koratkar教授與Robert J. Linhardt教授(共同通訊)在Energy Storage Materials上發表近期工作。文章主要報道了通過具有同軸紡絲板的靜電紡絲工藝製備的雙功能核-殼結構纖維的鋰硫電池正極複合材料,以硫複合有序介孔碳(CMK-3/S)為原料,利用纖維素作為封裝材料,實現了具有核(CMK-3/S)-殼(纖維素)結構纖維的製備(圖1)。隨後在核-殼結構纖維的固化過程中加入炭黑顆粒,提高材料的整體電子電導率。其中,纖維素外殼具有較高的離子電導率,不會阻礙電化學反應過程中鋰離子的遷移,同時,纖維素外殼的高韌性能夠承受住循環過程中正極體積的變化,也可以抑制多硫的穿梭效應。該工藝方法有效避免了“由外至內”工藝帶來的殘餘單質硫問題,且無需苛刻的合成條件。將該正極材料組裝成電池後進行測試,其首次放電比容量高達1200 mAh g

-1,經過300次循環後,容量仍保持在660 mAh g-1(容量衰減率僅為0.12%/每次循環),且庫倫效率高達99%。


具有核殼纖維結構的雙功能鋰硫電池正極


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