鋰-硫(Li-S)電池由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和過度穿梭效應(yīng)而難以實現(xiàn)高含硫量電池的循環(huán)穩(wěn)定性。在這里，我們設(shè)計和制造了一種基于碳纖維(CFs)支撐石墨烯/碳納米管(GC)基復(fù)合材料的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，然后通過漿液鑄造工藝生產(chǎn)最終的CFs-S/GC陰極，硫負載為4.5- 5.5 mg cm
-2。微/納米雜化材料的三維結(jié)構(gòu)增強了結(jié)構(gòu)強度，構(gòu)建了一個互聯(lián)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，用于高效的電解質(zhì)滲透和快速的電/離子傳輸。此外，通過化學(xué)氣相沉積法在CFs表面生長碳納米纖維(CNFs)，形成CFs@CNFs。CFs@CNFs-S/GC陰極使電化學(xué)活性位點上的多硫化物有效邊界得以實現(xiàn)，從而大大提高電池的循環(huán)性能。本文的研究策略為在高能密度Li-S電池的納米碳材料中構(gòu)建CFs或改性CFs骨架提供了一種可行的方法。
圖1. S/GC、CFs-S/GC和CFs@CNFs-S/GC陰極示意圖。
圖2. (a, b, c) GC2復(fù)合材料和(d, e, f) GC8復(fù)合材料的SEM圖像和N
2吸附/脫附等溫線。(g) 電流速率為0.2C時的循環(huán)性能，和(h)電流速率為0.1C，含硫3mg cm
-2時，S/GC2陰極和S/GC8陰極的首次放電/充電曲線。
圖3. (a) S/GC2和(b) CFs-S/GC2陰極在5.5 mg cm
-2硫負載下的SEM圖像。(c) S/GC2和CFs-S/GC2陰極在電流速率為0.2C時的循環(huán)性能，以及對應(yīng)的(d) 電流速率為0.1C時的首次充/放電循環(huán)曲線和(e) 電流速率為0.2C時的第100次循環(huán)曲線。(f) CFs-S/GC2陰極和(g) S/GC2陰極在0.1 mV S
-1速度時的CV曲線比較。
圖4. 循環(huán)100次后，得到(a, b) S/GC2和(e, f) CFs-S/GC2陰極俯視圖的SEM圖像。(c, d) S/GC2陰極和(g, h) CFs-S/GC2陰極對應(yīng)S元素映射的截面圖。
圖5. (a) CFs-S/GC2和(b) S/GC2陰極在速率分別為0.05、0.10、0.15和0.20 mV S
-l時的CV曲線。以及(c) CFs-S/GC2和(d) S/GC2陰極的掃描速率v
l/2的平方根與峰值電流I
p之間的對應(yīng)關(guān)系。(e, f) CFs-S/GC2和S/GC2陰極在0.1C、0.2C、0.5C和1C時的倍率性能，以及每個循環(huán)的放電/充電曲線。
圖6. (a) CFs@CNFs增長過程示意圖。(b, c) CFs@CNFs復(fù)合材料的SEM圖，CNFs的TEM圖和(f) CFs@CNFs-S/GC2陰極的SEM圖。(d) CFs-S/GC2和CFs@CNFs-S/GC2陰極在0.2C時的循環(huán)性能。
相關(guān)研究成果由西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院Xinxiu Yan等人于2022年發(fā)表在Diamond & Related Materials (https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.108888)上。原文：Micro/nano-structure construct of carbon fibers reinforced graphene/CNT matrix composites for Li-S batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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