Lityum Sülfür Pilin Katodu İçin Kükürt Konağı Olarak Kobalt Katkılı İçi Boş Karbon Çerçeve - Bölüm 1
JIN Gaoyao, HE Haichuan, WU Jie, ZHANG Mengyuan, LI Yajuan, LIU Younian
Hunan Eyaleti Mikro ve Nano Malzeme Arayüz Bilimi Anahtar Laboratuvarı, Kimya ve Kimya Mühendisliği Fakültesi, Güney Merkez Üniversitesi, Changsha 410083, Çin
Soyut
Lityum kükürt piller, enerji depolama için yeni nesil uygun maliyetli ve yüksek enerji yoğunluklu sistemler olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, aktif malzemelerin düşük iletkenliği, mekik etkisi ve yavaş redoks reaksiyonu kinetiği, ciddi kapasite kaybına ve düşük hız performansına yol açar. Burada, kobalt nanoparçacıkları ile gömülmüş bir sodyum sitrattan türetilmiş üç boyutlu içi boş karbon çerçeve, kükürt katodu için ev sahibi olarak tasarlanmıştır. Katılan kobalt nanopartiküller, polisülfitleri etkili bir şekilde adsorbe edebilir, dönüşüm reaksiyonu kinetiğini geliştirebilir ve döngüsel ve hız performansını daha da geliştirebilir. Elde edilen katot, 0.5C'de 1280 mAh·g-1'lik yüksek bir ilk deşarj kapasitesi, 10C'ye kadar mükemmel yüksek oranlı performans ve 1C'de 200 döngü için yüksek Columbic verimliliğiyle 770 mAh·g-1'lik kararlı döngüsel kapasite sağladı.
anahtar kelimeler:lityum kükürt pili; kobalt nanoparçacık; dönüşüm reaksiyonu; kükürt katodu
Lityum-kükürt (Li-S) piller, doğal bolluk, düşük maliyet ve yüksek özgül kapasite (1672 mAh∙g-1) üstünlüklerine sahip olan elementel kükürt içerir. Bununla birlikte, elementel sülfürün düşük elektrik iletkenliği (5×10-30 S∙cm-1) nedeniyle düşük performans, polisülfitlerin çözünmesinin neden olduğu "mekik etkisi" ve döngü sırasında büyük hacimli genişleme (~ yüzde 80) Li-S pillerin gelişimini ciddi şekilde engeller. Katot tasarımı bugüne kadarki en büyük sınıfı oluştururken, yukarıda belirtilen konulara yoğun çalışmalar yapılmıştır. Önceki çalışma, kükürt katodunu mükemmel elektronik iletkenlik, sağlam çerçeve yapısı ve yeterli gözenek hacmi ile hafif konakçıya kapsüllemeye odaklanmıştı. Karbonlu malzemeler katot substratlarının kriterlerini karşılayabilse de, polar olmayan konakçı ile polar lityum polisülfit türleri (bundan sonra LiPS olarak anılacaktır) arasındaki kuvvetler çok zayıf olabilir. Polar LiPS türleri, tek fiziksel sınırlama nedeniyle uzun süreli döngü sırasında kademeli olarak yayılır. Bariyer iskeletlerinin polaritesini artırmak için, LiPS'lerle daha güçlü etkileşim üretmek için karbon konakçıya heteroatomlar sokuldu. Bu katkı maddeleri, çözünür polisülfiti etkili bir şekilde yakalayabilir ve mekik etkisini sınırlayabilir.
Katot performansı, heteroatomlar ve karbon çerçevesinin sinerjisi ile bir dereceye kadar iyileştirilebilse de, LiPS'lerin aşırı birikmesine ve kaçınılmaz difüzyona neden olan polisülfit dönüşüm reaksiyonunun yavaş kinetiği nedeniyle hala önemli ölçüde sınırlıdır. Geçiş metali bileşikleri, dönüşüm reaksiyonu kinetiğini hızlandırmak için kükürt konakçıya geniş çapta dahil edilmiştir. Son yıllarda Co, Fe ve Pt gibi spesifik metal nanopartiküller de benzer hızlandırıcı etki göstermiştir. Bu metaller arasında kobalt metali, mükemmel iletkenliği ve polisülfitlerle güçlü etkileşimi nedeniyle araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Şarj etme ve boşaltma işlemi sırasında, polisülfitleri etkili bir şekilde yakalayabilir ve dönüşüm reaksiyonunu destekleyebilir. Li ve ark. ZIF-67 öncüsünün kalsinasyonuyla kükürt konakçısı olarak Co- ve N-katkılı karbonu elde etti. Düzgün dağılmış Co nanoparçacıkları, N-katkılı grupların sinerjik etkisi ile redoks reaksiyonunu belirgin bir şekilde hızlandırdı. Ayrıca, Du ve ark. monodispers kobalt atomları gömülü nitrojen katkılı grafen katodunu sundu ve Wu, et al. adenin ve CoCl2'nin yerinde kalsinasyonu ile fabrikasyon Co nanodots/N katkılı mezogözenekli karbon. Bu raporların tümünde, Ortak içerikli sistemler mükemmel çevrim performansları elde etti.
Bu çalışmada, Li-S pillerin döngüsel ve hız performansını iyileştirmek için, kükürt katodunun konakçısı olarak kobalt nanoparçacıkları ile süslenmiş 3 boyutlu içi boş bir karbon çerçeve tasarlanmıştır. Ucuz ve bol bir katkı maddesi olan sodyum sitrat, doğrudan kalsinasyon sırasında benzersiz karakterinden dolayı karbon kaynağı olarak kullanılır. Kobalt içeren sistemin (Co/C-700) ve karbon çerçevesinin (HEC-700) elektrokimyasal performansı, katkılı kobalt nanoparçacıklarının kükürt katodu üzerindeki etkisini sağlamak için sistematik olarak değerlendirildi.
Deneysel
malzemelerin sentezi
Bu çalışmada kullanılan tüm kimyasal reaktifler, daha fazla saflaştırılmadan analitik saflıktaydı. Kısaca {{0}},25 g Co(NO3)2·6H2O ve 5,0 g sodyum sitrat, homojen bir çözelti oluşturmak üzere manyetik karıştırma altında 20 mL deiyonize su içinde çözüldü. Daha sonra çözelti dondurularak kurutuldu, ince toz haline getirildi ve 700 derecede N2 altında 1 saat 5 derece ∙dk-1 ısıtma hızıyla kalsine edildi. Elde edilen kompozitler (UWC- 700 olarak isimlendirilmiştir) yan ürünleri uzaklaştırmak için deiyonize su ile 3 kez yıkanmıştır. 60 derecede bir gece kurutulduktan sonra nihai ürün toplandı ve Co/C-700 olarak gösterildi. Co'nun etkisini daha da doğrulamak için hidroklorik asitle dağlanmış karbon (HEC-700), Co/C-700'nin 12 saat 2 mol/L HCl içinde dağlanması, nötr olana kadar yıkanması ve 80 derecede 12 saat kurutulmasıyla elde edildi.
Katot kompozitleri, geleneksel bir eritme-difüzyon yöntemiyle hazırlandı. Kısaca, kükürt (ağırlıkça yüzde 70) ve Co/C-700 (veya HEC-700) kompozitlerinin bir karışımı 20 dakika öğütüldü, 20 mL'lik bir Teflon kap otoklavına aktarıldı ve 155 derecede 12 saat ısıtıldı. Elde edilen toz, S@Co/C-700 ve S@HEC-700 olarak toplandı.
Polisülfitlerin malzeme karakterizasyonu ve statik adsorpsiyonu, destekleyici malzemelerde gösterilmektedir.
elektrokimyasal karakterizasyon
S@Co/C{{0}} ve S@HEC-700 katotlarının elektrokimyasal performansı, argon dolgulu bir torpido gözünde (MBraun, Almanya) üretilmiş CR2025 tipi madeni para pillerle test edildi. Sülfür katod bulamacı, N-metil{{10}} pirolidinon (NMP) içinde 7 : 2 : 1 ağırlık oranına sahip S@Co/C-700 (veya S@HEC-700), asetilen siyahı ve poliviniliden diflorür (PVDF) bağlayıcının karıştırılmasıyla hazırlandı. Daha sonra elde edilen bulamaç, bir Al folyo üzerine düzgün bir şekilde döküldü. Ayrıca zar, gece boyunca vakum altında 50 derecede kurutuldu ve 1.1-1.7 mg∙cm-2 kükürt yüklemesiyle diskler (1 cm çapında) halinde kesildi. Katot ve lityum anodu ayırmak için rutin polipropilen membran (Celgard 2400) kullanıldı. Her hücrede kullanılan elektrolit, DOL/DME'de (hacim olarak 1:1) 50 uL 1mol/L LiN(CF3SO2)2 ve ağırlıkça yüzde 1 LiNO3 çözeltisiydi. Galvanostatik şarj-deşarj testleri, bir LAND CT 2001A pil test sistemi (Jinnuo Electronic Co, Wuhan, China) tarafından 1.7-2,8 V'lik voltaj penceresi içinde gerçekleştirilmiştir. Döngüsel voltametri (CV) ölçümü, 1,5 ila 3,0 V arasında, 0,1 mV∙s-1 tarama hızında gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), açık devrede 5 mV voltaj genliği ile 0,1 MHz ila 10 mHz frekans aralığında gerçekleştirildi. CV ve EIS ölçümleri, bir CHI 660E elektrokimyasal İş İstasyonunda (Chenhua Instruments Co, Şanghay, Çin) gerçekleştirildi. Simetrik hücreler, aynı katot ve anot olarak Co/C-700 veya HEC-700 (ağırlık oranında PVDF ile 8:2) ve DOL/DME (hacim olarak 1:1) çözeltisi içinde 1 mol/L LiN(CF3SO2)2, ağırlıkça yüzde 1 LiNO3 ve 0,2 mol/L Li2S6'dan oluşan 50 uL elektrolit ile birleştirildi.
Daha fazla Lityum İyon Pil MalzemesiTOB Yeni Enerji
