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牛牛在线精品视频2022:孙靖宇课题组Nano Energy: 3D打印具有快速反应动力学的硫正极赋予锂硫电池高倍率性能和高面容量

发布者:金霞来源:牛牛在线精品视频2022 发布时间:2020-05-26浏览次数:498

        近日,牛牛在线精品视频2022孙靖宇教授和刘忠范院士在3D打印构筑快速反应动力学、高倍率性能及高面积容量的锂硫电池领域获得重要进展——Expediting the electrochemical kinetics of 3D-printed sulfur cathodes for Li–S batteries with high rate capability and areal capacity以研究论文形式发表在Nano Energy上。博士生蔡京升为本文第一作者,孙靖宇教授和刘忠范院士为通讯作者。

       文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520305474

         3D打印引起了具有优异电化学性能的锂硫电池硫正极定制设计的兴趣。然而,目前报道的3D打印硫电极仅基于碳质材料;目前尚未开发出一种负载电催化剂的正极来加速硫的氧化还原动力学。在本工作中,作者使用硫/碳和金属性LaB6电催化剂的混合墨水,借助3D打印技术设计了自支撑硫正极,该架构具有优化的Li+/e-传输通道和充足的孔隙率,有利于高效的多硫化物管理。在6.0 C的电流密度下,初始容量达到693 mAh g?1,在800周循环后,每周的容量衰减率仅为0.067%。为了面向实际应用,进一步评估了硫含量从3.3 mg cm?29.3 mg cm?2的打印化电极性能。本工作首次将高效电催化剂引入可打印墨汁中,构建3D打印硫正极以获得具有高倍率性能和面容量的锂硫电池。

锂硫(Li–S)电池具有显著的优点(包括硫资源丰富,高的能量密度和环境友好性),被认为是最有前途的下一代储能系统之一。然而,硫及其放电产物(Li2S2/Li2S)导电率低,多硫化锂(LiPS)的穿梭以及反应动力学缓慢,造成硫的利用率低,循环稳定性和倍率性能差。至今,人们对该领域进行了大量的努力探索,主要集中在寻找合适的硫宿主材料,粘合剂以及电解质,尽管如此,大部分锂硫系统仍存在以下问题:硫负载量有限(<4 mg cm?2),使用过量的电解液(E/S ratio> 15 μL mg?1)和面容量远远不能满足实际应用和商业化的要求。

         为了抑制LiPS穿梭并提高Li-S化学中的硫动力学,极性材料(如金属氧化物/硫化物/氮化物)以及非极性碳质材料已经被广泛用作宿主或添加剂。其中,具有高电导率的金属化合物对LiPS的转化具有良好的电催化活性。近年来,金属硼化物(例如,MgB2,TiB2)对构建高性能Li-S电池已引起领域浓厚兴趣。具有类似性质的金属性六硼化镧(LaB6)作为一种低成本且可持续的化合物,已在许多领域得到广泛使用。然而,在Li-S电池领域几乎没有被报道过。

        作为一种先进的制造技术,3D打印已在电子、能量存储和生物工程等多领域引起了广泛的关注。基于配置的墨水,可轻松、自定义地设计复杂的电极结构。近年来,用于各种能量存储系统(如锂离子电池,Li–SLi–O2电池)的3D打印电极方兴未艾。针对Li–S电池,3D架构的硫电极可获得多孔骨架并具有较高的硫负载量,从而促进离子扩散,使得电解液充分渗透,而获得理想的电化学性能。然而,目前通过3D打印技术构筑的硫正极都基于纳米碳材料(例如,石墨烯,乙炔黑和碳纳米管),这不利于有效地抑制LiPS的穿梭以确保较长的使用寿命和令人满意的性能。此外,仍缺乏对3D打印硫正极的反应动力学的系统研究。因此,通过 3D打印构建含有对多硫化锂有效管控的电催化剂的硫正极对领域发展具有重要意义。



          图1. 图片概要

        在这项工作中,作者展示了基于3D打印技术对3DP-LaB6/SP@S自支撑高性能硫正极的构造。该打印的正极具有充足的、开放的多级孔道,这将确保电子/离子畅通的传输路径,并在长期循环中缓冲体积膨胀。值得注意的是,金属LaB6电催化剂可以均匀地分布在3D打印的架构内,自发地确保有足够的活性位点用于LiPS固定和转化,以实现高速率的放电/充电。此3D打印的硫正极可提供693 mAh g-1的初始容量,并在6.0 C的电流密度下800周循环内获得高循环稳定性,每周容量衰减低至0.067%。更重要的是,即使在硫载量为9.3 mg cm-2的情况下,仍可以保持7.98 mAh cm-2的高面积容量,优于近期报道的3D打印Li–S系统。结果证明了3D打印策略有望对高性能Li–S电池进行合理设计,并且可以推广到其他新兴的储能设备。


2. 基于3D打印技术构筑高导电性硫正极

3. 基于3D打印构筑硫正极的动力学表征 

        3D打印技术有助于构建具有多级孔结构的自支撑电极,在设计高负载厚电极时,更有助于离子和电子传输。将这一优势运用到锂硫电池中,通过逐层打。梢苑奖、高效、快捷地构筑高负载硫正极。同时将具有良好催化活性的电催化剂加入打印墨水中,更有助于提升正极的反应动力学,对多硫化物的管控起到积极作用,更加有效地抑制穿梭效应,获得具有优异性能的锂硫电池。这为设计锂硫电池的正极结构和提升硫正极的反应动力学提供了新的思路与策略。

 


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