Kerangka Karbon Berongga Cobalt-doped sebagai Sulfur Host untuk Katoda Baterai Lithium Sulphur - Bagian 1
JIN Gaoyao, HE Haichuan, WU Jie, ZHANG Mengyuan, LI Yajuan, LIU Younian
Laboratorium Utama Provinsi Hunan Ilmu Antarmuka Bahan Mikro & Nano, Sekolah Tinggi Kimia dan Teknik Kimia, Universitas Central South, Changsha 410083, Cina
Abstrak
Baterai lithium-sulfur dianggap sebagai generasi berikutnya dari sistem kepadatan energi hemat biaya dan tinggi untuk penyimpanan energi. Namun, rendahnya konduktivitas bahan aktif, efek bolak-balik, dan kinetika reaksi redoks yang lamban menyebabkan pemudaran kapasitas yang serius dan kinerja laju yang buruk. Di sini, kerangka karbon berongga tiga dimensi yang berasal dari natrium sitrat yang disematkan dengan nanopartikel kobalt dirancang sebagai inang untuk katoda belerang. Nanopartikel kobalt yang diperkenalkan dapat secara efektif menyerap polisulfida, meningkatkan kinetika reaksi konversi dan selanjutnya meningkatkan kinerja siklik dan laju. Katoda yang diperoleh menghasilkan kapasitas pengosongan awal yang tinggi sebesar 1280 mAh·g-1 pada 0,5C, kinerja tingkat tinggi yang luar biasa hingga 10C dan kapasitas siklik stabil sebesar 770 mAh·g-1 pada 1C selama 200 siklus dengan efisiensi Columbic yang tinggi.
Kata kunci:baterai lithium belerang ; nanopartikel kobalt; reaksi konversi; katoda belerang
Baterai litium-sulfur (Li-S) mengandung unsur sulfur, yang memiliki keunggulan kelimpahan alami, biaya rendah, dan kapasitas spesifik tinggi (1672 mAh∙g-1). Namun, kinerja yang buruk karena rendahnya konduktivitas listrik unsur belerang (5×10-30 S∙cm-1), "shuttle effect" yang disebabkan oleh pembubaran polisulfida dan ekspansi volume besar (~80 persen ) selama bersepeda sangat menghambat pengembangan baterai Li-S. Studi yang kuat telah dikhususkan untuk masalah yang disebutkan di atas, sementara desain katoda membentuk kelas terbesar hingga saat ini. Pekerjaan sebelumnya berfokus pada enkapsulasi katoda belerang menjadi inang ringan dengan konduktivitas elektronik yang sangat baik, struktur kerangka yang kuat, dan volume pori yang cukup. Meskipun bahan karbon dapat memenuhi kriteria substrat katoda, kekuatan antara inang nonpolar dan spesies lithium polisulfida polar (selanjutnya dilambangkan sebagai LiPS) bisa terlalu lemah. Spesies LiPS kutub secara bertahap berdifusi selama siklus jangka panjang karena kurungan fisik tunggal. Untuk meningkatkan polaritas kerangka penghalang, heteroatom dimasukkan ke dalam inang karbon untuk menghasilkan interaksi yang lebih kuat dengan LiPS. Dopan ini dapat secara efektif menangkap polisulfida terlarut dan menahan efek bolak-balik.
Meskipun kinerja katoda dapat ditingkatkan sampai batas tertentu dengan sinergi heteroatom dan kerangka karbon, itu masih dibatasi secara signifikan oleh kinetika reaksi konversi polisulfida yang lamban, yang menyebabkan akumulasi LiPS yang berlebihan dan difusi yang tak terelakkan. Senyawa logam transisi telah banyak dimasukkan ke dalam inang belerang untuk mempercepat kinetika reaksi konversi. Dalam beberapa tahun terakhir, nanopartikel logam tertentu, seperti Co, Fe, dan Pt, menunjukkan efek percepatan yang serupa. Di antara logam-logam ini, logam kobalt telah menarik perhatian para peneliti karena konduktivitasnya yang sangat baik dan interaksi yang kuat dengan polisulfida. Selama proses pengisian dan pengosongan, secara efektif dapat menangkap polisulfida dan mendorong reaksi konversi. Li, dkk. memperoleh karbon yang didoping Co dan N sebagai inang belerang melalui kalsinasi prekursor ZIF-67. Partikel nano Co yang terdispersi secara jelas mempercepat reaksi redoks dengan efek sinergis dari gugus yang didoping-N. Selanjutnya, Du, et al. mempresentasikan atom kobalt monodisperse tertanam katoda graphene yang didoping nitrogen, dan Wu, et al. membuat karbon mesopori Co nanodots/N-doped dengan kalsinasi in-situ adenin dan CoCl2. Dalam semua laporan ini, sistem Co-contained memperoleh kinerja bersepeda yang luar biasa.
Dalam karya ini, untuk meningkatkan kinerja siklik dan laju baterai Li-S, kerangka karbon berongga 3D yang dihiasi dengan partikel nano kobalt dirancang sebagai inang katoda belerang. Natrium sitrat, aditif murah dan berlimpah, digunakan sebagai sumber karbon untuk karakter uniknya selama kalsinasi langsung. Dan kinerja elektrokimia dari sistem yang mengandung kobalt (Co/C-700) dan kerangka karbon (HEC-700) dievaluasi secara sistematis untuk memastikan efek nanopartikel kobalt yang didoping untuk katoda belerang.
Eksperimental
Sintesis bahan
Semua reagen kimia yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah kelas analitik tanpa pemurnian lebih lanjut. Secara singkat, {{0}}.25 g Co(NO3)2·6H2O dan 5,0 g natrium sitrat dilarutkan dalam 20 mL air deionisasi di bawah pengadukan magnet untuk membentuk larutan homogen. Kemudian, larutan dibekukan-keringkan, digiling menjadi bubuk halus dan dikalsinasi pada suhu 700 derajat di bawah N2 selama 1 jam dengan laju pemanasan 5 derajat ∙min-1. Komposit yang diperoleh (dinamai sebagai UWC- 700) dicuci dengan air deionisasi sebanyak 3 kali untuk menghilangkan produk sampingan. Setelah dikeringkan pada suhu 60 derajat semalaman, produk akhir dikumpulkan dan dilambangkan sebagai Co/C-700. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut efek Co, asam klorida etsa karbon (HEC-700) diperoleh dengan etsa Co/C-700 dalam 2 mol/L HCl selama 12 jam, cuci hingga netral dan keringkan pada suhu 80 derajat selama 12 jam.
Komposit katoda disiapkan melalui metode peleburan-difusi konvensional. Singkatnya, campuran sulfur (70% berat ) dan komposit Co/C-700 (atau HEC-700) digiling selama 20 menit, dipindahkan ke dalam autoklaf wadah Teflon 20 mL dan dipanaskan pada suhu 155 derajat selama 12 jam. Serbuk yang diperoleh dikumpulkan sebagai S@Co/C-700 dan S@HEC-700.
Karakterisasi bahan dan adsorpsi statis polisulfida ditunjukkan pada bahan pendukung.
karakterisasi elektrokimia
Performa elektrokimia katoda S@Co/C{{0}} dan S@HEC-700 diuji oleh sel koin tipe CR2025, dibuat dalam kotak sarung tangan berisi argon (MBraun, Jerman). Bubur katoda sulfur dibuat dengan mencampur pengikat S@Co/C-700 (atau S@HEC-700), asetilena hitam dan polivinilidena difluorida (PVDF) dengan perbandingan berat 7 : 2 : 1 dalam N-metil{{10}} pirolidinon (NMP). Kemudian bubur yang diperoleh dituang secara merata ke kertas Al. Selanjutnya, membran dikeringkan pada suhu 50 derajat di bawah vakum semalaman dan dipotong menjadi cakram (diameter 1 cm) dengan muatan belerang 1.1-1.7 mg∙cm-2. Membran polypropylene rutin (Celgard 2400) digunakan untuk memisahkan katoda dan anoda litium. Elektrolit yang digunakan dalam setiap sel adalah 50 μL 1mol/L LiN(CF3SO2)2 dan larutan LiNO3 1% berat dalam DOL/DME (volume 1:1). Uji pelepasan muatan galvanostatik dilakukan oleh sistem uji baterai LAND CT 2001A (Jinnuo Electronic Co, Wuhan, China) dalam jendela voltase 1,7-2,8 V. Pengukuran voltametri siklik (CV) dilakukan dari 1,5 hingga 3,0 V pada kecepatan pindai 0,1 mV∙s-1. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dalam rentang frekuensi dari 0,1 MHz hingga 10 mHz dengan amplitudo tegangan 5 mV pada sirkuit terbuka. Pengukuran CV dan EIS dilakukan pada Workstation elektrokimia CHI 660E (Chenhua Instruments Co, Shanghai, China). Sel simetris dirakit dengan Co/C-700 atau HEC-700 (8:2 dengan rasio berat PVDF) sebagai katoda dan anoda identik, dan 50 μL elektrolit 1 mol/L LiN(CF3SO2)2, 1wt persen LiNO3 dan 0,2 mol/L Li2S6 dalam larutan DOL/DME(1:1 dalam volume).
Lebih banyak Bahan Baterai lithium ion dariTOB Energi Baru
