MaterialsTodayEnergy硫快速沉积电纺CNF中制备锂硫电池阴极

　　自从20世纪90年代初，锂离子电池商业化以来，便携式电子产品、电动汽车和大规模存储的电化学储能需求继续超过锂离子电池的能力。锂硫电池由于其高能量密度（2500Wh/kg）而备受关注，这是锂离子电池（500Wh/kg）的5倍。此外，硫的含量丰富，价格低廉，对环境无害。不幸的是，锂硫电池的商业化受到一些关键挑战的阻碍。（1）、硫的电绝缘性质（25℃下 5×10-30 S/cm）；（2）、在锂化-脱锂反应期间硫的大量体积变化；（3）、可溶性反应中间体溶解到电解质中并且在循环时迁移到阳极（穿梭效应）。这些挑战导致锂硫电池性能指标较差，包括快速容量衰减，循环稳定性差，库仑效率低，硫含量和负载低。
　　美国德雷塞尔大学的Vibha Kalra教授团队在Materials Today Energy期刊上发表题为Binder-free, freestanding cathodes fabricated with an ultra-rapiddiffusion of sulfur into carbon nanofiber mat for lithiumesulfur batteries的研究论文。他向我们展示了一种超快速技术，将硫结合到电纺CNF中，用于制造无粘合剂，独立式的锂-硫电池阴极。硫沉积方法大大缩短了向CNF注入硫的时间，从10小时到5秒，为制备锂-硫电池阴极提供了广阔的前景。
　　采用完善工艺制造的CNF经过快速加热和轻微压力（140℃和<250psi）使硫快速顺利地扩散，从而获得硫-碳纳米纤维(S-CNF)阴极，其中硫含量接近50-65wt％。经过X射线光电子能谱（XPS）数据分析，作者认为，特殊的容量保持率和稳定性可归因于，由于不完全碳化而存在于CNF中的多硫化物吸引的杂原子官能团。此外，傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR FT-IR)分析也给我们提供了长期循环后杂原子-多硫化物相互作用的证据。所获得的阴极在0.5C电流密度下，初始放电容量为550mAhg-1，放电循环150次后，显示100%的容量保留，库仑效率>99％。
　　电纺CNF结构具有两个重要因素，使研究人员能够开发出这种简单的阴极。（1）它们本身是独立的，不需要粘合剂、额外的集流器或昂贵的浆料制造。同时，这些非活性电池组分的重量贡献是显著的，估计占整个阴极的30-50wt.%。（2）碳纳米纤维垫作为一个内置的导电基质起着重要的作用，它在整个电极中提供了不间断的电子传输途径。同时，较大的纤维间距有利于电解液扩散，并为阴极制备过程中硫的整合和锂硫氧化还原反应期间的体积膨胀提供足够的空间。总的来说，这种无粘合剂的独立式阴极提供了一个实用的锂硫电池阴极制备方法。
　　图1.通过快速硫熔融技术制造S-CNF阴极的示意图。
　　图2.（a）S-CNF阴极在0.1C，0.2C和0.5C下，超过100次循环后的循环稳定性和库仑效率（b）S-CNF阴极0.5C时的放电容量。
　　图3.（a）-（c）分别为C1s、N1s、O1s峰的高分辨率XPS光谱。
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