Small Methods:3D打印技术协同CoSx催化剂助力高性能锂硫电池

锂硫电池由于具有比容量高和能量密度高的特点,一直以来受到研究者们的青睐。但是,锂硫电池体系中仍然存在着很多亟待解决的问题:1)硫利用率低;2)库伦效率不高;3)容量衰减太快;4)自放电现象严重;5)循环稳定性差。尤其是在充放电过程中产生易溶且造成“穿梭效应”的多硫化物是导致锂硫电池库伦效率低和循环稳定性差的主要原因。为了克服上述挑战,近年来大多数研究成果致力于设计多功能和不同结构的正极材料,以缓解“穿梭效应”并改善多硫化物的电化学反应动力学。

为了应对这些挑战,加拿大西安大略大学的孙学良团队采用了3D 打印技术的同时引入化学催化剂从而设计了一种新的 Li-S 正极。其正极采用3D打印技术设计成垂直结构的同时将硫化钴纳米催化剂加入到打印浆料中。所设计的正极提高了高硫负载下的电化学性能,实现了8 mg cm-2 时的初始容量为 1118.8 mAh/g,150 次循环后的可逆容量为 771.7 mAh/g。

在这项工作中,通过3D打印技术设计的正极能够在微观尺度上提供微尺度离子、电子传输通道。在有助于促进电子,离子传输的同时有效地抑制锂枝晶的生长。此外,硫化钴纳米颗粒可作为催化剂均匀地掺入制备的正极材料中,不仅催化多硫化锂氧化还原反应,还表现出对多硫化锂的强大吸附能力,从而有效缓解了多硫化物的飞梭效应。所以,在锂硫电池全电池循环中,当电流密度 为1 mA cm-2,硫负载量为4 mg cm-2下循环100 次后,容量为 1075 mAh g-1。此外,在更高的硫负载量下(6 mg cm-2和 8 mg cm-2),电流密度为1 mA cm-2时,仍能保持优异的循环性能,即初始放电容量分别为 1789.0 mA h g-1 和 1593.6 mA h g-1。这项工作展示了一种基于3D打印技术的高性能 Li-S 电池正极材料的设计,同时硫化钴催化剂的引入从化学角度进一步改善并提升了锂硫电池的电化学性能。

论文信息:

Realizing High-Performance Li-S Batteries through Additive Manufactured and Chemically Enhanced Cathodes

Matthew Zheng, Xuejie Gao, Yipeng Sun, Keegan Adair, Minsi Li, Jianneng Liang, Xiaona Li, Jianwen Liang, Sixu Deng, Xiaofei Yang, Qian Sun, Yongfeng Hu, Qunfeng Xiao, Ruying Li, Xueliang Sun*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100176.       

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100176