إطار الكربون المجوف المشوب بالكوبالت كمضيف للكبريت لكاثود بطارية الليثيوم الكبريتية

إطار كربوني مجوف مخدر بالكوبالت كمضيف للكبريت لكاثود بطارية الليثيوم الكبريت - الجزء 1

جين Gaoyao ، HE Haichuan ، WU Jie ، ZHANG Mengyuan ، LI Yajuan ، LIU Younian

مختبر مقاطعة هونان الرئيسي لعلوم واجهة المواد الدقيقة والنانوية ، كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية ، جامعة جنوب وسط ، تشانغشا 410083 ، الصين

خلاصة

تعتبر بطاريات الليثيوم الكبريتية الجيل التالي من أنظمة فعالة من حيث التكلفة وذات كثافة طاقة عالية لتخزين الطاقة. ومع ذلك ، فإن الموصلية المنخفضة للمواد الفعالة وتأثير المكوك والحركية البطيئة لتفاعل الأكسدة والاختزال تؤدي إلى تلاشي خطير للقدرة وضعف معدل الأداء. هنا ، تم تصميم إطار كربوني مجوف ثلاثي الأبعاد مشتق من سترات الصوديوم مضمن مع جزيئات النانو من الكوبالت كمضيف لكاثود الكبريت. يمكن لجسيمات الكوبالت النانوية التي تم إدخالها أن تمتص بشكل فعال polysulfides ، وتعزز حركية تفاعل التحويل وتحسن الأداء الدوري والمعدل. قدم الكاثود الذي تم الحصول عليه سعة تفريغ أولية عالية تبلغ 128 0 مللي أمبير / جرام -1 عند 0.5 درجة مئوية ، وأداء ممتاز عالي السرعة حتى 10 درجات مئوية وسعة دورية ثابتة تبلغ 770 مللي أمبير / جرام -1 عند درجة 1 مئوية لمدة 200 دورة بكفاءة كولومبية عالية.
الكلمات الدالة:بطارية الليثيوم الكبريت جسيمات الكوبالت النانوية تفاعل التحويل كاثود الكبريت

تحتوي بطاريات الليثيوم-الكبريت (Li-S) على عنصر الكبريت ، والذي يمتلك مزايا الوفرة الطبيعية ، والتكلفة المنخفضة ، والقدرة النوعية العالية (1672 مللي أمبير / جرام -1). ومع ذلك ، فإن الأداء الضعيف بسبب الموصلية الكهربائية المنخفضة للكبريت العنصري (5 × 10-30 S cm -1) ، "تأثير المكوك" الناجم عن انحلال polysulfides والتوسع الكبير الحجم (~ 80 بالمائة) أثناء ركوب الدراجات يعوق بشكل خطير تطوير بطاريات Li-S. تم تكريس دراسات قوية للقضايا المذكورة أعلاه ، بينما يشكل تصميم الكاثود أكبر فئة حتى الآن. ركز العمل السابق على تغليف كاثود الكبريت في مضيف ضوئي بموصلية إلكترونية ممتازة وبنية هيكلية قوية وحجم مسام كافٍ. على الرغم من أن المواد الكربونية يمكن أن تفي بمعايير ركائز الكاثود ، إلا أن القوى بين المضيف غير القطبي وأنواع بولي كبريتيد الليثيوم القطبية (يشار إليها فيما بعد باسم LiPSs) يمكن أن تكون ضعيفة للغاية. تنتشر الأنواع القطبية LiPSs تدريجيًا أثناء ركوب الدراجات طويل المدى بسبب الحبس المادي الفردي. لزيادة قطبية الهياكل العظمية الحاجزة ، تم إدخال ذرات غير متجانسة في مضيف الكربون لإنتاج تفاعل أقوى مع LiPSs. يمكن لهذه المواد المخدرة أن تلتقط بشكل فعال polysulfide القابل للذوبان وتقييد تأثير النقل المكوكي.
على الرغم من أنه يمكن تحسين أداء الكاثود إلى حد ما من خلال تآزر الذرات غير المتجانسة وإطار الكربون ، إلا أنه لا يزال محدودًا بشكل كبير بسبب الحركية البطيئة لتفاعل تحويل polysulfide ، مما يتسبب في التراكم المفرط لـ LiPSs والانتشار الحتمي. تم إدخال المركبات المعدنية الانتقالية على نطاق واسع في مضيف الكبريت لتسريع حركية تفاعل التحويل. في السنوات الأخيرة ، أظهرت جسيمات نانوية معدنية معينة ، مثل Co و Fe و Pt ، تأثيرًا متسارعًا مماثلًا. من بين هذه المعادن ، جذب معدن الكوبالت انتباه الباحثين بسبب التوصيل الممتاز والتفاعل القوي مع polysulfides. أثناء عملية الشحن والتفريغ ، يمكنها التقاط polysulfides بشكل فعال وتعزيز تفاعل التحويل. لي وآخرون. الحصول على الكربون المشبع بالكبريت والنيتروجين كمضيف للكبريت عن طريق تكليس المادة الأولية ZIF -67. سرعت الجسيمات النانوية المشتتة بشكل موحد تفاعل الأكسدة والاختزال مع التأثير التآزري للمجموعات N-doped. علاوة على ذلك ، دو وآخرون. قدم ذرات الكوبالت أحادية الانتشار التي تحتوي على كاثود الجرافين المشبع بالنيتروجين ، ووو وآخرون. Co nanodots المُصنَّعة / الكربون المسامي N-doped مع التكليس في الموقع للأدينين و CoCl2. في كل هذه التقارير ، اكتسبت الأنظمة المضمنة أداءً ممتازًا في ركوب الدراجات.
في هذا العمل ، لتحسين الأداء الدوري ومعدل لبطاريات Li-S ، تم تصميم إطار كربون مجوف ثلاثي الأبعاد مزين بجسيمات نانوية من الكوبالت كمضيف لكاثود الكبريت. يتم استخدام سترات الصوديوم ، وهي مادة مضافة رخيصة وفيرة ، كمصدر للكربون لطابعها الفريد أثناء التكليس المباشر. وتم تقييم الأداء الكهروكيميائي للنظام المحتوي على الكوبالت (Co / C -700) وإطار عمل الكربون (HEC -700) بشكل منهجي لضمان تأثير جزيئات الكوبالت النانوية المخدرة في كاثود الكبريت.

تجريبي

توليف المواد

كانت جميع الكواشف الكيميائية المستخدمة في هذا العمل من الدرجة التحليلية دون مزيد من التنقية. باختصار ، {0} تم إذابة 25 جم Co (NO3) 2 · 6H2O و 5.0 جم من سترات الصوديوم في 20 مل ماء منزوع الأيونات تحت التقليب المغناطيسي لتكوين محلول متجانس. بعد ذلك ، يجفف المحلول بالتجميد ، ويطحن إلى مسحوق ناعم ويكلس عند 700 درجة تحت N2 لمدة ساعة واحدة بمعدل تسخين 5 درجات ∙ دقيقة -1. تم غسل المركبات التي تم الحصول عليها (المسماة UWC - 700) بالماء منزوع الأيونات لمدة 3 مرات لإزالة المنتجات الثانوية. بعد التجفيف عند 60 درجة طوال الليل ، تم جمع المنتج النهائي وتم الإشارة إليه على أنه Co / C -700. لتأكيد تأثير Co ، تم الحصول على الكربون المحفور بحمض الهيدروكلوريك (HEC -700) عن طريق حفر Co / C -700 في 2 مول / لتر من حمض الهيدروكلوريك لمدة 12 ساعة ، والغسيل حتى التعادل والتجفيف عند 80 درجة لمدة 12 ساعة.
تم تحضير مركبات الكاثود عبر طريقة ذوبان-انتشار تقليدية. باختصار ، تم طحن خليط من الكبريت (70 وزنًا في المائة) ومركب Co / C -700 (أو HEC -700) لمدة 20 دقيقة ، وتم نقله إلى الأوتوكلاف حاوية سعة 20 مل تفلون وتسخينه عند 155 درجة لمدة 12 ساعة. تم جمع المسحوق الذي تم الحصول عليه كـ S @ Co / C -700 و S @ HEC -700.
يتم عرض خصائص المواد والامتصاص الاستاتيكي لعديد الكبريتيدات في المواد الداعمة.

التوصيف الكهروكيميائي
تم اختبار الأداء الكهروكيميائي للكاثودات S @ Co / C {0} و S @ HEC -700 بواسطة 25 خلية عملة من نوع CR2 0 25 ، تم تصنيعها في صندوق قفازات مليء بالأرجون (MBraun ، ألمانيا). تم تحضير ملاط ​​كاثود الكبريت عن طريق خلط S @ Co / C -700 (أو S @ HEC -700) والموثق الأسود الأسيتيلين وثنائي فلوريد البوليفينيلدين (PVDF) بنسبة وزن 7: 2: 1 في N-methyl {{1 0}} pyrrolidinone (NMP). ثم تم صب الملاط الذي تم الحصول عليه بشكل موحد على رقائق Al. علاوة على ذلك ، تم تجفيف الغشاء عند 5 0 درجة تحت التفريغ طوال الليل وتقطيعه إلى أقراص (قطرها 1 سم) مع تحميل كبريت قدره 1. 1-1. 7 مجم سم -2. تم استخدام غشاء البولي بروبلين الروتيني (Celgard 2400) لفصل الكاثود وأنود الليثيوم. كان المنحل بالكهرباء المستخدم في كل خلية 50 ميكرولتر 1 مول / لتر LiN (CF3SO2) 2 و 1 بالوزن من محلول LiNO3 في DOL / DME (1: 1 في الحجم). تم إجراء اختبارات الشحن والتفريغ الجلفانيستاتيكي بواسطة نظام اختبار بطارية LAND CT 2001A (Jinnuo Electronic Co ، ووهان ، الصين) ضمن نافذة الفولتية 1. 7-2 .8 فولت. تم إجراء التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) في نطاق التردد من 0.1 ميجا هرتز إلى 10 ميجا هرتز بسعة جهد تبلغ 5 مللي فولت في الدائرة المفتوحة. تم إجراء قياسات السيرة الذاتية و EIS على محطة العمل الكهروكيميائية CHI 660E (Chenhua Instruments Co ، شنغهاي ، الصين). تم تجميع الخلايا المتماثلة مع Co / C -700 أو HEC -700 (8: 2 مع PVDF في نسبة الوزن) ككاثود وأنود متطابقين ، و 50 ميكرولتر من المحلول الكهربائي من 1 مول / لتر LiN (CF3SO2) 2 ، 1 وزن بالمائة LiNO3 و 0.2 مول / لتر Li2S6 (في 1: 1 / DME).

المزيد من مواد بطارية ليثيوم أيون منTOB الطاقة الجديدة