Scalable SPAN Membrane Cathode with High Conductivity and Hierarchically Porous Framework for Enhanced Ion Transfer and Cycling Stability in Li–S Batteries

材料科学 阴极 储能 聚丙烯腈 阳极 电池(电) 电导率 电化学 多孔性 化学工程 离子 锂离子电池 纳米技术 复合材料 电极 电气工程 化学 工程类 物理化学 功率(物理) 有机化学 物理 聚合物 量子力学
作者
Xinran Hu,Helong Jiang,Hou Qiao,Miao Yu,Xiaobin Jiang,Gaohong He,Xiangcun Li
出处
期刊:ACS materials letters [American Chemical Society]
卷期号:5 (8): 2047-2057 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsmaterialslett.3c00450
摘要

Lithium sulfur batteries with a high energy density of 2600 Wh kg–1 and theoretical specific capacity of 1675 mAh g–1 have been regarded as the most promising candidate for the next generation of high-energy storage devices. However, their commercial application is hindered by the undesirable troubles of rapid capacity fading, insulation of the products (Li2S/Li2S2), volume expansion, and low mass loading. Herein, a three-dimensional holey CNT/sulfurized polyacrylonitrile (CNT@SPAN) freestanding cathode has been fabricated by a one-step phase inversion method, followed by sulfurization without any binders and current collectors. The unique porous framework design with SPAN in situ encapsulating CNT can effectively facilitate the transportation of ions and electrons, and endure the volume expansion of sulfur during the reaction process. Simultaneously, by combining electrochemical impedance analysis and frontier molecular orbit theory, the initial activation mechanism of the Li-SPAN battery was explored. In the initial state of cell activation, Li+ occupies the carbon skeleton continuously and irreversibly, which enhances the conductivity of the composites. This work refreshes the current performance of Li-SPAN batteries with a maximum areal capacity of 10.21 mAh cm–2 at an ultrahigh mass loading of 7.5 mg cm–2, and an excellent rate capacity of 761.7 mAh g–1 at 4 C, which provides a promising method to make Li–S batteries to meet the requirements of commercial application.
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