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正极片层次孔碳棒结构

文章出处:废电池 人气:发表时间:2019-06-20 10:07

  锂硫电池具有超高的能量密度(2600Wh kg-1),可以大大克服目前锂离子电池能量密度的瓶颈,进一步提高器件的续航能力,同时硫作为正极材料,成本低廉、安全性高,有望实现商业化应用并成为锂离子电池的理想替代品。多孔碳材料因其密度低、导电性好、比表面积大等特点成为与活性物质硫复合的理想材料。但目前如何在保证优异电化学性能的前提下,实现正极材料中的高硫含量仍然是个棘手的问题。
 
  近日,厦门大学的研究人员以多孔氧化镁为模板,采用化学气相沉积(CVD)的方法得到了由类石墨烯碳片组成的具有层次孔结构的纳米碳棒,如图1所示。首先,由氧化镁纳米棒在室温下水解反应得到垂直互连的氢氧化镁纳米片,继而通过CVD法在模板表面沉积一层类石墨烯的碳层,同时在此过程中,氢氧化镁逐渐分解为多孔的氧化镁片。最后通过酸洗即可在保持其微观结构的同时去除氧化镁,得到该三维纳米碳棒结构。
 
  回收正负极片通过SEM和TEM等表征发现,该碳棒结构直径约为1~3 um,同时,由于较好地复制了模板的多级结构,类石墨烯片构筑成层次孔结构的多级网络,其比表面积高达2226 m2 g-2,孔容为4.9 cm3 g-1。将其用作锂硫电池正极材料时,该新型的三维纳米碳结构因其高比表面积和超大孔容,可极大地提高硫的负载量并限制多硫化物的穿梭效应;其次,由高导电性的类石墨烯片组成的三维网络结构,有利于充放电过程中离子、电子的传输,可实现优异的倍率特性;同时,垂直互连碳片的间隙空间可有效地对硫的体积变化起到缓冲作用。
 
  将负载硫含量提高到88.8%时,硫在三维网络结构中仍然均匀分布,无团聚颗粒出现。经电化学性能测试,该超高硫含量复合正极材料表现出优异的倍率和循环性能。在0.2 C倍率下,其初始比容量为1258 mAh g-1,即使在3C的高倍率下,放电比容量仍然有545 mAh g-1。除此之外,超高的硫负载量极大地提升了电极的体积能量密度,其在0.5 C倍率下的体积能量密度为1085 mAh cm-3,为目前报道的最优水平。
 
  得益于安全性高、成本低及容量高等优点,水系锌离子电池在储能领域前景较好。本工作通过模板法,在较温和的条件下,合成了由少层超薄纳米片构建的反蛋白石结构MnO2材料。通过模板的作用,纳米片几乎无团聚,其厚度可小至1 nm。该材料用作水系锌离子电池正极材料时,得益于特殊的反蛋白石结构及少层的超薄纳米片,表现出优良的电池性能。在300mA/g的充放电速率下循环100次之后,电池获得了262.9mAh/g的高放电比容量,容量保持率为95.6%。即使在2000mA/g的高充放电速率下循环5000次,仍然可维持121mAh/g的高放电比容量。XRD、选区电子衍射及高分辨率TEM结果表明,在放电/充电过程中,正极会发生Zn4SO4(OH)6·xH2O的可逆性生成与消耗,而MnO2的层状晶体结构可基本维持。该材料是较有前景的高容量、高倍率及长循环性能水系锌离子电池正极材料。

此文关键字:回收正负极片