Fframwaith Carbon Gwag wedi'i dopio â Cobalt fel Gwesteiwr Sylffwr ar gyfer Batri Cathod o Lithiwm Sylffwr - Rhan 1
JIN Gaoyao, AU Haichuan, WU Jie, ZHANG Mengyuan, LI Yajuan, LIU Younian
Labordy Allweddol Hunan Daleithiol Gwyddor Rhyngwyneb Deunyddiau Micro a Nano, Coleg Cemeg a Pheirianneg Cemegol, Prifysgol Canolbarth y De, Changsha 410083, Tsieina
Haniaethol
Ystyrir mai batris lithiwm-sylffwr yw'r genhedlaeth nesaf o systemau cost-effeithiol a dwysedd ynni uchel ar gyfer storio ynni. Fodd bynnag, mae dargludedd isel o ddeunyddiau gweithredol, effaith gwennol a chineteg swrth o adwaith rhydocs yn arwain at bylu cynhwysedd difrifol a pherfformiad cyfradd gwael. Yma, mae fframwaith carbon gwag tri dimensiwn sy'n deillio o citrad sodiwm wedi'i ymgorffori â nanoronynnau cobalt wedi'i gynllunio fel y gwesteiwr ar gyfer catod sylffwr. Gall y nanoronynnau cobalt a gyflwynwyd arsugniad effeithiol y polysulfides, gwella cineteg adwaith trosi a gwella ymhellach y perfformiad cylchol a chyfradd. Darparodd y catod a gafwyd gynhwysedd rhyddhau cychwynnol uchel o 1280 mAh·g-1 ar 0.5C, perfformiad cyfradd uchel ardderchog hyd at 10C a chynhwysedd cylchol sefydlog o 770 mAh·g-1 ar 1C am 200 o gylchoedd gydag effeithlonrwydd Columbig uchel.
Geiriau allweddol:batri sylffwr lithiwm; nanoronyn cobalt; adwaith trosi; catod sylffwr
Mae'r batris lithiwm-sylffwr (Li-S) yn cynnwys sylffwr elfennol, sy'n meddu ar ragoriaeth helaethrwydd naturiol, cost isel, a chynhwysedd penodol uchel (1672 mAh∙g-1). Fodd bynnag, mae'r perfformiad gwael oherwydd dargludedd trydanol isel sylffwr elfennol (5 × 10-30 S∙cm-1), "effaith gwennol" a achosir gan ddiddymu polysulfides ac ehangu cyfaint mawr (~80 y cant) yn ystod beicio yn rhwystro datblygiad batris Li-S yn ddifrifol. Mae astudiaethau egnïol wedi'u neilltuo i'r materion a grybwyllwyd uchod, tra bod dylunio catod yn ffurfio'r dosbarth mwyaf hyd yn hyn. Roedd gwaith blaenorol yn canolbwyntio ar amgáu catod sylffwr yn westeiwr ysgafn gyda dargludedd electronig rhagorol, strwythur fframwaith cadarn a digon o gyfaint mandwll. Er y gall deunyddiau carbonaidd fodloni meini prawf swbstradau catod, gall y grymoedd rhwng y gwesteiwr anpolar a'r rhywogaethau polysulfides lithiwm pegynol (a ddynodir o hyn ymlaen fel LiPSs) fod yn rhy wan. Mae'r rhywogaethau LiPSs pegynol yn ymledu'n raddol yn ystod beicio hirdymor oherwydd y cyfyngiad ffisegol unigol. Er mwyn cynyddu polaredd sgerbydau rhwystr, cyflwynwyd heteroatomau i'r gwesteiwr carbon i gynhyrchu rhyngweithio cryfach â'r LiPSs. Gall y dopants hyn ddal y polysulfide hydawdd yn effeithiol ac atal yr effaith gwennol.
Er y gellir gwella perfformiad y catod i ryw raddau gyda synergedd heteroatomau a fframwaith carbon, mae'n dal i gael ei gyfyngu'n sylweddol gan cineteg swrth adwaith trosi polysulfide, sy'n achosi cronni gormodol o LiPSs a thrylediad anochel. Mae cyfansoddion metel trawsnewid wedi'u cyflwyno'n eang i'r gwesteiwr sylffwr i gyflymu cineteg adwaith trosi. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, dangosodd nanoronynnau metel penodol, megis Co, Fe a Pt, effaith gyflymu tebyg. Ymhlith y metelau hyn, mae metel cobalt wedi denu sylw ymchwilwyr am ei ddargludedd rhagorol a'i ryngweithio cryf â polysulfides. Yn ystod y broses codi tâl a gollwng, gall ddal y polysulfides yn effeithiol a hyrwyddo'r adwaith trosi. Li, et al. wedi cael y carbon Co- ac N-doped fel y lletywr sylffwr trwy galchynnu rhagflaenydd ZIF-67. Roedd y nanoronynnau Co gwasgaredig unffurf yn cyflymu'r adwaith rhydocs yn amlwg gydag effaith synergig grwpiau N-doped. Ymhellach, mae Du, et al. cyflwynodd yr atomau cobalt monodisperse planedig nitrogen-doped graphene catod, a Wu, et al. nanodots Co ffug/carbon mesoporous wedi'i ddopio â N gyda'r calchynnu adenin a CoCl2 yn y fan a'r lle. Ym mhob un o'r adroddiadau hyn, cafodd y systemau Co-contained berfformiad beicio rhagorol.
Yn y gwaith hwn, er mwyn gwella perfformiad cylchol a chyfradd batris Li-S, dyluniwyd fframwaith carbon gwag 3D wedi'i addurno â nanoronynnau cobalt fel llu catod sylffwr. Mae citrad sodiwm, ychwanegyn rhad a helaeth, yn cael ei ddefnyddio fel ffynhonnell carbon ar gyfer ei gymeriad unigryw yn ystod calchynnu uniongyrchol. A gwerthuswyd perfformiad electrocemegol y system sy'n cynnwys cobalt (Co/C-700) a'r fframwaith carbon (HEC-700) yn systematig i sicrhau effaith nanoronynnau cobalt doped ar y catod sylffwr.
Arbrofol
Synthesis o ddeunyddiau
Roedd yr holl adweithyddion cemegol a ddefnyddiwyd yn y gwaith hwn o radd ddadansoddol heb eu puro ymhellach. Yn gryno, hydoddwyd {{0}.25 g Co(NO3)2·6H2O a 5.0 g sodiwm sitrad mewn 20 ml o ddŵr wedi'i ddadïoneiddio o dan droi magnetig i ffurfio hydoddiant homogenaidd. Yna, cafodd yr hydoddiant ei rewi-sychu, ei falu'n bowdr mân a'i galchynnu ar 700 gradd o dan N2 am 1 awr gyda chyfradd wresogi o 5 gradd ∙mun-1. Cafodd y cyfansoddion a gafwyd (o'r enw UWC- 700) eu golchi â dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio am 3 gwaith er mwyn cael gwared â'r sgil-gynhyrchion. Ar ôl cael ei sychu ar 60 gradd dros nos, casglwyd y cynnyrch terfynol a'i ddynodi fel Co/C-700. I gadarnhau ymhellach effaith Co, cafwyd carbon ysgythredig asid hydroclorig (HEC-700) trwy ysgythru Co/C-700 mewn 2 mol/L HCl am 12 h, gan olchi nes ei fod yn niwtral a'i sychu ar 80 gradd am 12 h.
Paratowyd y cyfansoddion catod trwy ddull toddi-trylediad confensiynol. Yn gryno, cafodd cymysgedd o gyfansoddion sylffwr (70wt y cant) a Co/C-700 (neu HEC{{{}}) eu melino am 20 munud, eu trosglwyddo i mewn i awtoclaf cynhwysydd Teflon 20 ml a'i gynhesu ar 155 gradd am 12 h. Casglwyd y powdr a gafwyd fel S@Co/C-700 a S@HEC-700.
Dangosir nodweddion deunyddiau ac arsugniad statig polysylfidau mewn deunyddiau ategol.
Nodweddu electrocemegol
Profwyd perfformiad electrocemegol y catodau S@Co/C{{{{0}} a S@HEC-700 gan gelloedd darn arian math CR2, wedi'u gwneud mewn blwch menig llawn argon (MBraun, yr Almaen). Paratowyd y slyri catod sylffwr trwy gymysgu S@Co/C-700 (neu S@HEC-700), rhwymwr difluorid asetylen du a polyvinylidene (PVDF) gyda chymhareb pwysau o 7 : 2 : 1 mewn N-methyl {{10}} pyrrolidinone (NMP). Yna cafodd y slyri a gafwyd ei gastio'n unffurf ar ffoil Al. Ymhellach, cafodd y bilen ei sychu ar 50 gradd o dan wactod dros nos a'i thorri'n ddisgiau (1 cm mewn diamedr) gyda llwythiad sylffwr o 1.1-1.7 mg∙cm-2. Defnyddiwyd y bilen polypropylen arferol (Celgard 2400) i wahanu'r catod a'r anod lithiwm. Yr electrolyte a ddefnyddiwyd ym mhob cell oedd 50 μL 1mol/L LiN(CF3SO2)2 a hydoddiant LiNO3 1wt y cant yn DOL/DME (1:1 mewn cyfaint). Perfformiwyd profion gwefr-rhyddhau galfanostatig gan system prawf batri LAND CT 2001A (Jinnuo Electronic Co, Wuhan, Tsieina) o fewn y ffenestr foltedd o 1.7-2.8 V. Perfformiwyd y mesuriad voltammetry cylchol (CV) o 1.5 i 3.0 V ar gyfradd sgan o 0.1 mV.{3∙} Cynhaliwyd sbectrosgopeg rhwystriant electrocemegol (EIS) yn yr ystod amledd o 0.1 MHz i 10 mHz gydag osgled foltedd o 5 mV ar gylched agored. Cynhaliwyd y mesuriadau CV ac EIS ar Weithfan electrocemegol CHI 660E (Chenhua Instruments Co, Shanghai, China). Cydosodwyd y celloedd cymesurol gyda Co/C-700 neu HEC-700 (8:2 gyda PVDF mewn cymhareb pwysau) fel catod ac anod union yr un fath, a 50 μL electrolyte o 1 mol/L LiN(CF3SO2)2, 1wt y cant LiNO3 a 0.2 mol/L cyfaint/L 1 hydoddiant: Li2DS1: cyfaint/L2DS1:
Mwy o Ddeunyddiau Batri ïon Lithiwm oTOB Ynni Newydd
