Ar kobaltu leģēta doba oglekļa karkass kā sēra uztvērējs litija sēra akumulatora katodam — 1. daļa
DZJIN Gaojao, VE Haičuaņs, VU Dzje, Džans Menjuaņs, L. Jajuans, LIU Junjans
Hunaņas provinces galvenā mikro un nanomateriālu saskarnes zinātnes laboratorija, Ķīmijas un ķīmijas inženierijas koledža, Centrālā Dienvidu universitāte, Čangša 410083, Ķīna
Abstrakts
Litija-sēra baterijas tiek uzskatītas par nākamās paaudzes rentablu un augsta enerģijas blīvuma sistēmu enerģijas uzkrāšanai. Tomēr aktīvo materiālu zemā vadītspēja, atspoles efekts un gausa redoksreakcijas kinētika izraisa nopietnu kapacitātes samazināšanos un sliktu ātruma veiktspēju. Šeit no nātrija citrāta iegūts trīsdimensiju dobs oglekļa karkass, kas iestrādāts ar kobalta nanodaļiņām, ir izveidots kā sēra katoda saimnieks. Ieviestās kobalta nanodaļiņas var efektīvi adsorbēt polisulfīdus, uzlabot konversijas reakcijas kinētiku un vēl vairāk uzlabot ciklisko un ātruma veiktspēju. Iegūtais katods nodrošināja lielu sākotnējo izlādes jaudu 128{5}} mAh·g-1 0,5 C temperatūrā, izcilu augsta ātruma veiktspēju līdz 10 C un stabilu ciklisko jaudu 770 mAh·g{10}} pie 1 C 200 cikliem ar augstu Kolumbijas efektivitāti.
Atslēgvārdi:litija sēra akumulators; kobalta nanodaļiņa ; konversijas reakcija; sēra katods
Litija-sēra (Li-S) akumulatori satur elementāru sēru, kam piemīt dabiskā pārpilnība, zemas izmaksas un augsta īpatnējā ietilpība (1672 mAh∙g-1). Tomēr sliktā veiktspēja, ko izraisa elementārā sēra zemā elektrovadītspēja (5 × 10-30 S∙cm-1), "atspoles efekts", ko izraisa polisulfīdu izšķīšana un liela apjoma izplešanās (~80 procenti) riteņbraukšanas laikā, nopietni kavē Li-S akumulatoru attīstību. Iepriekšminētajiem jautājumiem ir veltīti enerģiski pētījumi, savukārt katoda projektēšana ir līdz šim lielākā klase. Iepriekšējais darbs bija vērsts uz sēra katoda iekapsulēšanu gaismas uzņēmējā ar izcilu elektronisko vadītspēju, izturīgu karkasa struktūru un pietiekamu poru tilpumu. Lai gan oglekli saturoši materiāli var atbilst katoda substrātu kritērijiem, spēki starp nepolāro saimnieku un polāro litija polisulfīdu sugām (turpmāk apzīmēti kā LiPS) var būt pārāk vāji. Polārās LiPS sugas pakāpeniski izkliedējas ilgstošas riteņbraukšanas laikā vienas fiziskās ieslodzījuma dēļ. Lai palielinātu barjeru skeletu polaritāti, oglekļa saimniekorganismā tika ievadīti heteroatomi, lai radītu spēcīgāku mijiedarbību ar LiPS. Šie dopanti var efektīvi uztvert šķīstošo polisulfīdu un ierobežot pārvietošanās efektu.
Lai gan katoda veiktspēju zināmā mērā var uzlabot ar heteroatomu un oglekļa karkasa sinerģiju, to joprojām ievērojami ierobežo polisulfīda konversijas reakcijas gausā kinētika, kas izraisa pārmērīgu LiPS uzkrāšanos un neizbēgamu difūziju. Pārejas metālu savienojumi ir plaši ieviesti sēra saimniekorganismā, lai paātrinātu konversijas reakcijas kinētiku. Pēdējos gados specifiskas metāla nanodaļiņas, piemēram, Co, Fe un Pt, uzrādīja līdzīgu paātrinošu efektu. Starp šiem metāliem kobalts ir piesaistījis pētnieku uzmanību ar savu lielisko vadītspēju un spēcīgo mijiedarbību ar polisulfīdiem. Uzlādes un izlādes procesa laikā tas var efektīvi uztvert polisulfīdus un veicināt konversijas reakciju. Li un citi. ieguva Co un N-leģētu oglekli kā sēra saimniekdatoru, kalcinējot ZIF-67 prekursoru. Vienmērīgi izkliedētās Co nanodaļiņas izteikti paātrināja redoksreakciju ar N-leģētu grupu sinerģisko efektu. Turklāt Du et al. iepazīstināja ar monodispersā kobalta atomiem, kas iestrādāti ar slāpekli leģētu grafēna katodu, un Wu et al. izgatavoti Co nanodots / N-leģēts mezoporisks ogleklis ar adenīna un CoCl2 in situ kalcinēšanu. Visos šajos ziņojumos Co-containted sistēmas ieguva izcilus riteņbraukšanas veiktspēju.
Šajā darbā, lai uzlabotu Li-S akumulatoru ciklisko un ātruma veiktspēju, kā sēra katoda saimnieks tika izstrādāts 3D dobs oglekļa karkass, kas dekorēts ar kobalta nanodaļiņām. Nātrija citrāts, lēta un bagātīga piedeva, tiek izmantots kā oglekļa avots tā unikālā rakstura dēļ tiešās kalcinēšanas laikā. Un kobaltu saturošās sistēmas (Co/C-700) un oglekļa karkasa (HEC-700) elektroķīmiskā veiktspēja tika sistemātiski novērtēta, lai nodrošinātu leģēto kobalta nanodaļiņu ietekmi uz sēra katodu.
Eksperimentāls
Materiālu sintēze
Visi šajā darbā izmantotie ķīmiskie reaģenti bija analītiski tīri bez turpmākas attīrīšanas. Īsumā, {{0}},25 g Co(NO3)2·6H2O un 5,0 g nātrija citrāta tika izšķīdināti 20 ml dejonizētā ūdenī, magnētiski maisot, veidojot viendabīgu šķīdumu. Pēc tam šķīdumu žāvēja liofilizētā veidā, sasmalcina smalkā pulverī un 1 stundu kalcinēja 700 grādu temperatūrā N2 atmosfērā ar sildīšanas ātrumu 5 grādi ∙min-1. Iegūtie kompozītmateriāli (nosaukti kā UWC- 700) tika mazgāti ar dejonizētu ūdeni 3 reizes, lai noņemtu blakusproduktus. Pēc žāvēšanas 60 grādu temperatūrā uz nakti gala produkts tika savākts un apzīmēts kā Co/C-700. Lai vēl vairāk apstiprinātu Co iedarbību, ar sālsskābi kodināto oglekli (HEC-700) ieguva, kodinot Co/C-700 2 mol/L HCl 12 stundas, mazgājot līdz neitrālai un žāvējot 80 grādu temperatūrā 12 stundas.
Katoda kompozītmateriāli tika sagatavoti, izmantojot parasto kušanas-difūzijas metodi. Īsumā, sēra (70 masas procenti) un Co/C-700 (vai HEC-700) kompozītmateriālu maisījums tika samalts 20 minūtes, pārnests 20 ml teflona konteinera autoklāvā un karsēts 155 grādos 12 stundas. Iegūtais pulveris tika savākts kā S@Co/C-700 un S@HEC-700.
Materiālu raksturojums un polisulfīdu statiskā adsorbcija ir parādīta atbalsta materiālos.
Elektroķīmiskais raksturojums
Katodu S@Co/C{{0}} un S@HEC-700 elektroķīmiskā veiktspēja tika pārbaudīta ar CR2025 tipa monētu elementiem, kas izgatavoti ar argonu pildītā cimdu kastē (MBraun, Vācija). Sēra katoda suspensija tika sagatavota, sajaucot S@Co/C-700 (vai S@HEC-700), acetilēna melno un polivinilidēna difluorīda (PVDF) saistvielu ar svara attiecību 7 : 2 : 1 N-metil{{10}} pirolidinonā (NMP). Pēc tam iegūtā virca tika vienmērīgi izlieta uz Al folijas. Turklāt membrāna tika žāvēta 50 grādos vakuumā nakti un sagriezta diskos (1 cm diametrā) ar sēra slodzi 1.1-1.7 mg∙cm-2. Katoda un litija anoda atdalīšanai tika izmantota parastā polipropilēna membrāna (Celgard 2400). Katrā šūnā izmantotais elektrolīts bija 50 μL 1 mol/l LiN(CF3SO2)2 un 1 masas procents LiNO3 šķīdums DOL/DME (tilpumā 1:1). Galvanostatiskās uzlādes-izlādes testi tika veikti ar LAND CT 2001A akumulatora pārbaudes sistēmu (Jinnuo Electronic Co, Wuhan, Ķīna) sprieguma logā 1.7-2.8 V. Cikliskās voltammetrijas (CV) mērījums tika veikts no 1,5 līdz 3,0 V ar skenēšanas ātrumu 0,1 mV 8} s. Elektroķīmiskās pretestības spektroskopija (EIS) tika veikta frekvenču diapazonā no 0,1 MHz līdz 10 mHz ar sprieguma amplitūdu 5 mV pie atvērtas ķēdes. CV un EIS mērījumi tika veikti CHI 660E elektroķīmiskajā darbstacijā (Chenhua Instruments Co, Šanhaja, Ķīna). Simetriskas šūnas tika saliktas ar Co/C-700 vai HEC-700 (8:2 ar PVDF svara attiecību) kā identisku katodu un anodu un 50 μL elektrolīta 1 mol/L LiN(CF3SO2)2, 1 masas procentu LiNO3 un 0,2 mol/l Li2D šķīdumā.
Vairāk litija jonu akumulatoru materiālu noTOB Jaunā enerģija
