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西安交通大學李明濤課題組--層狀2D g-C3N4/石墨烯陰極夾層提高鋰硫電池的循環(huán)性能
溶解多硫化鋰的“穿梭效應”導致的電化學性能衰減是鋰-硫(
Li-S
)電池實現(xiàn)實際應用的最大障礙之一。為了解決上述問題,本論文制備了
2D g-C
3
N
4
/
石墨烯片復合材料(
g-C
3
N
4
/GS
),作為硫
/
碳(
S/KB
)陰極的中間層。該材料通過物理和化學的相互作用,形成一個層狀的通道結構來捕獲多硫化物。薄的
g-C
3
N
4
/ GS
中間層能有效抑制溶解的多硫化物(
Li
2
S
x
; 2 <x≤8
)從陰極向陽極的擴散,通過使用
g-C
3
N
4
/ GS-
涂層隔膜分隔的
H
型玻璃電池可以證明。帶有
g-C
3
N
4
/GS
中間層的
S/KB
陰極(
S/KB@C
3
N
4
/GS
)在
0.1 C
下循環(huán)
100
次后的放電容量為
1191.7 mAh g
-1
,比單用
S/KB
陰極(
625.8 mAh g
-1
)增加了
90%
以上。
S/KB@C
3
N
4
/GS
陰極表現(xiàn)出出良好的循環(huán)壽命,在
1 C
下循環(huán)
1000
次后,其放電容量高達
612.4 mAh g
-1
。
XPS
結果表明,
g-C
3
N
4
/ GS
中間層與
Li
2
S
x
之間的錨定受
g-C
3
N
4
和石墨烯對長鏈聚硫化物的化學結合影響。總而言之,電化學性能的改善源于增強的
Li
+
擴散系數(shù),增加的電荷轉(zhuǎn)移以及
g-C
3
N
4
/GS
中間層減弱了溶解的
Li
2
S
x
引起的穿梭效應。
Figure 1. a)
具有
g
-
C
3
N
4
/GS
陰極夾層層結構的電池結構示意圖;
b) S/KB@
C
3
N
4
/GS
陰極截面
SEM
圖;
c)
掃描速率為
0.1 mV s
−1
的
CV
曲線,
d)
掃描速率為
0.1 mV s
−1
的充放電曲線,
e) S/KB@
C
3
N
4
/GS
陰極前
5
個循環(huán)的
EIS Nyquist
圖及其等效電路模型
(
插圖
)。
Figure 2.
a)
具有
XPS
測量特征點的
S/KB
和
S/KB@C
3
N
4
/GS
陰極在
0.1 C
時的初始充放電曲線;
S/KB(
左柱
)
和
S/KB@
C
3
N
4
/GS(
右柱
)
陰極在特征點
1 (b
和
f)
、
2 (c
和
g)
、
3 (d
和
h)
和
4 (e
和
i)
處的
S
2p
譜;
j)
在
DOL/DME
溶液(左室)中使用
0.3
M
Li
2
S
6
和純
DOL/DME
溶劑(右室)的玻璃電池照片,其被原始
Celgard 2400
隔膜(頂行)和
C
3
N
4
/GS
夾層隔膜(底行)分隔。
Figure 3.
S/KB@C
3
N
4
/GS
陰極在
a)
不同倍率下連續(xù)循環(huán)放電容量和
b)
相應的充放電曲線;
c)
不同掃描速率下
S/KB@C
3
N
4
/GS
陰極的
CV
曲線;
d)?
S/KB@C
3
N
4
/GS
陰極的還原峰電流
(Ip)
和氧化峰電流
(Ip)
隨掃描速率的平方根
(υ
1/2
)
的變化規(guī)律。
Figure 4. a)
S/KB
和
b)
S/KB@
C
3
N
4
/GS
陰極在不同倍率下循環(huán)
100
次的性能;
c)S/KB@
C
3
N
4
/GS
陰極在
1 C
和
2 C
循環(huán)
1000
次時的循環(huán)性能和容量保持能力。
相關研究成果于
2019
年由西安交通大學
Mingtao Li
課題組,發(fā)表在
ChemSusChem
(
https://doi.org/10.1002/cssc.201802449
)上。原文:
Enhanced Cycling Performance for Lithium–Sulfur Batteries by a Laminated 2D g
-
C
3
N
4
/Graphene Cathode Interlayer
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