Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa Al-BDC@TiO2 đã xử lý nhiệt để cải thiện các thuộc tính điện hóa của pin lithium-sulfur
Journal of Electronic Materials - Trang 1-9 - 2024
Tóm tắt
Pin lithium-sulfur (Li-S) có tiềm năng cao do mật độ năng lượng và dung lượng cụ thể cao; tuy nhiên, độ dẫn điện kém của vật liệu hoạt động dẫn đến động học phản ứng chậm, và hiệu ứng shuttle của sản phẩm trung gian lithium polysulfide dẫn đến sự suy giảm dung lượng nhanh chóng. Ở đây, việc bao bọc hiệu quả Al-BDC bằng các hạt TiO2 được thực hiện bằng cách bao bọc khung hữu cơ kim loại dựa trên nhôm (Al-BDC) với axit terephthalic làm ligand hữu cơ và xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Phương pháp này cho thấy các hạt TiO2 có thể bao bọc hiệu quả Al-BDC trong khi vẫn duy trì độ ổn định cấu trúc của Al-BDC sau khi xử lý nhiệt ở 400°C. Sự kết tinh của TiO2 trở nên rối loạn sau khi xử lý nhiệt ở 300°C, và TiO2 bị bong ra và Al-BDC bị sụp đổ sau khi xử lý nhiệt ở 500°C. Ngoài ra, các hạt TiO2 có thể được lấp đầy một phần vào các mao quản của Al-BDC. Do đó, Al-BDC@TiO2-400 có thể hiệu quả ngăn chặn sự shuttle của các polysulfide, và các pin Li-S tương ứng có thể đạt được dung lượng phóng điện cụ thể tương đối cao, hiệu suất tỷ lệ và độ ổn định chu kỳ. Đặc biệt, Al-BDC@TiO2-400@S có thể đạt dung lượng phóng điện cụ thể ban đầu là 907,6 mAh g−1 ở 0,1C, và 686,5 mAh g−1 ở 2C với dung lượng còn lại là 379,8 mAh g−1 sau 400 chu kỳ.
Từ khóa
#pin lithium-sulfur #Al-BDC #TiO2 #xử lý nhiệt #hiệu suất điện hóaTài liệu tham khảo
Z.-H. Xie, Z.-X. Huang, Z.-P. Zhang, M.-Z. Rong, and M.-Q. Zhang, Imparting pulley effect and self-healability to cathode binder of Li-S battery for improvement of the cycling stability. Chin. J. Polym. Sci. 41, 95 (2022).
S.H. Chung and A. Manthiram, Current status and future prospects of metal-sulfur batteries. Adv. Mater. 31, 1901125 (2019).
Y. Song, W. Cai, L. Kong, J. Cai, Q. Zhang, and J. Sun, Rationalizing electrocatalysis of Li-S chemistry by mediator design: progress and prospects. Adv. Energy Mater. 10, 1901075 (2019).
C. Dong, C. Zhou, Y. Li, Y. Yu, T. Zhao, G. Zhang, X. Chen, K. Yan, L. Mai, and X. Xu, Ni single atoms on MoS2 nanosheets enabling enhanced kinetics of Li-S batteries. Small 19, 2205855 (2022).
C. Geng, W. Qu, Z. Han, L. Wang, W. Lv, and Q.H. Yang, Superhigh coulombic efficiency lithium-sulfur batteries enabled by in situ coating lithium sulfide with polymerizable electrolyte additive. Adv. Energy Mater. 13, 2204246 (2023).
K. Shen, H. Mei, B. Li, J. Ding, and S. Yang, 3D printing sulfur copolymer-graphene architectures for Li-S batteries. Adv. Energy Mater. 8, 1701527 (2017).
J. Yu, J. Xiao, A. Li, Z. Yang, L. Zeng, Q. Zhang, Y. Zhu, and L. Guo, Enhanced multiple anchoring and catalytic conversion of polysulfides by amorphous MoS3 nanoboxes for high-performance Li-S batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 13071 (2020).
S. Wang, H. Chen, J. Liao, Q. Sun, F. Zhao, J. Luo, X. Lin, X. Niu, M. Wu, R. Li, and X. Sun, Efficient trapping and catalytic conversion of polysulfides by VS4 nanosites for Li-S batteries. ACS Energy Lett. 4, 755 (2019).
S. Ohno, R. Koerver, G. Dewald, C. Rosenbach, P. Titscher, D. Steckermeier, A. Kwade, J. Janek, and W.G. Zeier, Observation of chemomechanical failure and the influence of cutoff potentials in all-solid-state Li-S batteries. Chem. Mater. 31, 2930 (2019).
D.K. Lee, S.J. Kim, Y.J. Kim, H. Choi, D.W. Kim, H.J. Jeon, C.W. Ahn, J.W. Lee, and H.T. Jung, Graphene oxide/carbon nanotube bilayer flexible membrane for high-performance Li-S batteries with superior physical and electrochemical properties. Adv. Mater. Interfaces 6, 1801992 (2019).
W. Kong, L. Yan, Y. Luo, D. Wang, K. Jiang, Q. Li, S. Fan, and J. Wang, Ultrathin MnO2/graphene oxide/carbon nanotube interlayer as efficient polysulfide-trapping shield for high-performance Li–S batteries. Adv. Funct. Mater. 27, 1606663 (2017).
R. Wang, J. Yang, X. Chen, Y. Zhao, W. Zhao, G. Qian, S. Li, Y. Xiao, H. Chen, Y. Ye, G. Zhou, and F. Pan, Highly dispersed cobalt clusters in nitrogen-doped porous carbon enable multiple effects for high-performance Li–S battery. Adv. Energy Mater. 10, 1903550 (2020).
F. Pei, L. Lin, A. Fu, S. Mo, D. Ou, X. Fang, and N. Zheng, A Two-dimensional porous carbon-modified separator for high-energy-density Li-S batteries. JOULE 2, 323 (2018).
C. Zhu, J. Wang, G. Xu, X. Du, C. Chen, X. Yang, C. Bao, and G. Gao, 3D pill-structured Ti-MOF@S composite cathodes for high-performance Li–S batteries. CrystEngComm 25, 2892 (2023).
H. Shi, Z. Sun, W. Lv, S. Xiao, H. Yang, Y. Shi, K. Chen, S. Wang, B. Zhang, Q.-H. Yang, and F. Li, Efficient polysulfide blocker from conductive niobium nitride@graphene for Li-S batteries. J. Energy Chem. 45, 135 (2020).
F. Wu, L. Shi, D. Mu, H. Xu, and B. Wu, A hierarchical carbon fiber/sulfur composite as cathode material for Li-S batteries. Carbon 86, 146 (2015).
R. Fang, S. Zhao, P. Hou, M. Cheng, S. Wang, H.M. Cheng, C. Liu, and F. Li, 3D interconnected electrode materials with ultrahigh areal sulfur loading for Li-S batteries. Adv. Mater. 28, 3374 (2016).
X. Wang, Y. Hao, G. Wang, N. Deng, L. Wei, Q. Yang, B. Cheng, and W. Kang, YF3/CoF3 co-doped 1D carbon nanofibers with dual functions of lithium polysulfudes adsorption and efficient catalytic activity as a cathode for high-performance Li-S batteries. J. Colloid Interface Sci. 607, 922 (2022).
X. Hong, R. Wang, Y. Liu, J. Fu, J. Liang, and S. Dou, Recent advances in chemical adsorption and catalytic conversion materials for Li-S batteries. J. Energy Chem. 42, 144 (2020).
X. Liu, J.Q. Huang, Q. Zhang, and L. Mai, Nanostructured metal oxides and sulfides for lithium-sulfur batteries. Adv. Mater. 29, 1601759 (2017).
G. Zhou, H. Tian, Y. Jin, X. Tao, B. Liu, R. Zhang, Z.W. Seh, D. Zhuo, Y. Liu, J. Sun, J. Zhao, C. Zu, D.S. Wu, Q. Zhang, and Y. Cui, Catalytic oxidation of Li2S on the surface of metal sulfides for Li-S batteries. PNAS 114, 840 (2017).
W.G. Lim, C. Jo, A. Cho, J. Hwang, S. Kim, J.W. Han, and J. Lee, Approaching ultrastable high-rate Li-S batteries through hierarchically porous titanium nitride synthesized by multiscale phase separation. Adv. Mater. 31, 1806547 (2018).
F. Qi, Z. Sun, X. Fan, Z. Wang, Y. Shi, G. Hu, and F. Li, Tunable interaction between metal-organic frameworks and electroactive components in lithium-sulfur batteries: status and perspectives. Adv. Energy Mater. 11, 2100387 (2021).
Y. Zhao, M. Wu, Y. Guo, N. Mamrol, X. Yang, C. Gao, and B. Van der Bruggen, Metal-organic framework based membranes for selective separation of target ions. J. Membr. Sci. 634, 119407 (2021).
X. Hu, T. Huang, G. Zhang, S. Lin, R. Chen, L.-H. Chung, and J. He, Metal-organic framework-based catalysts for lithium-sulfur batteries. Coord. Chem. Rev. 475, 214879 (2023).
Y. Hou, H. Mao, and L. Xu, MIL-100(V) and MIL-100(V)/rGO with various valence states of vanadium ions as sulfur cathode hosts for lithium-sulfur batteries. Nano Res. 10, 344 (2016).
V. Shrivastav, S. Sundriyal, P. Goel, H. Kaur, S.K. Tuteja, K. Vikrant, K.-H. Kim, U.K. Tiwari, and A. Deep, Metal-organic frameworks (MOFs) and their composites as electrodes for lithium battery applications: Novel means for alternative energy storage. Coord. Chem. Rev. 393, 48 (2019).
B. Huang, Y. Li, and W. Zeng, Application of metal-organic framework-based composites for gas sensing and effects of synthesis strategies on gas-sensitive performance. CHEMOSENSORS 9, 226 (2021).
L. He, Y. Dong, Y. Zheng, Q. Jia, S. Shan, and Y. Zhang, A novel magnetic MIL-101(Fe)/TiO2 composite for photo degradation of tetracycline under solar light. J. Hazard. Mater. 361, 85 (2019).
J. Peng, Y. Sun, Y. Wu, Z. Lv, and Z. Li, Selectively trapping ethane from ethylene on metal-organic framework MIL-53(Al)-FA. Ind. Eng. Chem. Res. 58, 8290 (2019).
J. Chen, X. Wang, W. Feng, W. Zhao, and Z. Shi, Application of ZIF-8 coated with titanium dioxide in cathode material of lithium-sulfur battery. J. Solid State Electrochem. 25, 2065 (2021).
S. Deng, Y. Yan, L. Wei, T. Li, X. Su, X. Yang, Z. Li, and M. Wu, Amorphous Al2O3 with N-doped porous carbon as efficient polysulfide barrier in Li–S batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2, 1266 (2019).
W. Jiang, J. Pan, J. Wang, J. Cai, X. Gang, X. Liu, and Y. Sun, A coin like porous carbon derived from Al-MOF with enhanced hierarchical structure for fast charging and super long cycle energy storage. Carbon 154, 428 (2019).
K. Zou, W. Jing, X. Dai, X. Chen, M. Shi, Z. Yao, T. Zhu, J. Sun, Y. Chen, Y. Liu, and Y. Liu, A Highly efficient sulfur host enabled by nitrogen/oxygen dual-doped honeycomb-like carbon for advanced lithium-sulfur batteries. Small 18, 2107380 (2022).
X. Shang, T. Qin, P. Guo, K. Sun, H. Su, K. Tao, and D. He, A novel strategy for the selection of polysulfide adsorbents toward high-performance lithium-sulfur batteries. Adv. Mater. Interfaces 6, 1900393 (2019).
W. Xiao, K. Yoo, J.H. Kim, and H. Xu, Breaking barriers to high-practical Li-S batteries with isotropic binary sulfiphilic electrocatalyst: creating a virtuous cycle for favorable polysulfides redox environments. Adv. Sci. 10, 2303916 (2023).
A. Gupta, and A. Manthiram, Unifying the clustering kinetics of lithium polysulfides with the nucleation behavior of Li2S in lithium–sulfur batteries. J. Mater. Chem. A 9, 13242 (2021).
Y. Zhu, Y. Zuo, F. Ye, J. Zhou, Y. Tang, and Y. Chen, Dual-regulation strategy to enhance electrochemical catalysis ability of NiCo2O4-x for polysulfides conversion in Li-S batteries. Chem. Eng. J. 428, 131109 (2022).