Pitch-derived yolk-shell-structured carbon microspheres as efficient sulfur host materials and their application as cathode material for Li–S batteries

材料科学 硫黄 碳纤维 微球 化学工程 电导率 介孔材料 电流密度 阴极 蚀刻(微加工) 复合材料 化学 冶金 有机化学 催化作用 图层(电子) 物理化学 工程类 物理 复合数 量子力学
作者
Gi Dae Park,Dae Soo Jung,Jung-Kul Lee,Yun Chan Kang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:373: 382-392 被引量:46
标识
DOI:10.1016/j.cej.2019.05.038
摘要

Submicron and micron-sized carbon spheres with high electrical conductivity, micro–mesoporous structure, and empty space are considered ideal sulfur host materials for Li–S batteries. In this study, a new and efficient strategy for the synthesis of yolk-shell-structured carbon microspheres with multishells is introduced. Pitch-derived carbon microspheres with yolk-shell structure, high pore volume, and high electrical conductivity are synthesized by applying yolk-shell-structured Fe2O3 microspheres as a sacrificial template. Pitch-infiltrated Fe2O3 microspheres transform into yolk-shell-structured carbon (YS_C) microspheres with a specific conductivity of 0.9 S cm−1 after post-treatment and etching with an HCl solution. The discharge capacity of the sulfur-loaded YS_C microspheres for the 200th cycle at a current density of 0.5 C is 686 mA h g−1, and their reversible capacity after 800 cycles at a high current density of 2 C is 412 mA h g−1. In addition, the sulfur-loaded YS_C microspheres show excellent cycling performance, despite their very high sulfur loading of 70 wt%. The excellent cycling and rate performances of the sulfur-loaded YS_C microspheres are attributed to the synergistic effect of the high electrical conductivity of YS_C microspheres, loading of amorphous and ultrafine sulfur, and empty shell layers.

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