Hierarchically Porous and Minimally Stacked Graphene Cathodes for High‐Performance Lithium–Oxygen Batteries

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作者
Wei Yu,Zhaohan Shen,Takeharu Yoshii,Shinichiroh Iwamura,Manai Ono,Shôichi Matsuda,Makoto Aoki,Toshihiro Kondo,Shin R. Mukai,Shuji Nakanishi,Hirotomo Nishihara
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (2) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/aenm.202303055
摘要

Abstract Although lithium–oxygen batteries have attracted attention due to their extremely high energy densities, rational design, and critical evaluation of high‐energy‐density cathode for practical Li–O 2 batteries is still urgently needed. Herein, the multiscale, angstrom‐to‐millimeter, precisely controllable synthesis of binder‐free cathodes with minimally stacked graphene free from edge sites is demonstrated. The proposed Li–O 2 battery, based on a hierarchically porous cathode with a practical mass loading of >4.0 mg cm −2 , simultaneously exhibits an unprecedented specific areal (>30.0 mAh cm −2 ), mass (>6300 mAh g −1 ), and volumetric (>480 mAh cm −3 ) capacities. The battery displays the optimal energy density of 793 Wh kg −1 critically normalized to the total mass of all active materials including electrolytes and even discharge products Li 2 O 2 . Comprehensive in situ characterizations demonstrate a unique discharge mechanism in hierarchical pores which contributes to competitive battery performance. Superior rate performance in a current density range of 0.1 to 0.8 mA cm −2 and long‐cycle stability (>260 cycles) at a current density of 0.4 mA cm −2 , outperforming state‐of‐the‐art carbon cathodes. This study yields insight into next‐generation carbon cathodes, not only for use in practical Li–O 2 batteries, but also in other metal–gas batteries with high energy densities.

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