Realizing High Utilization of High-Mass-Loading Sulfur Cathode via Electrode Nanopore Regulation

多硫化物 硫黄 石墨烯 电极 电解质 材料科学 阴极 杂原子 化学工程 化学 纳米技术 有机化学 冶金 工程类 物理化学 戒指(化学)
作者
Shuibin Tu,Zihe Chen,Bao Zhang,Xiancheng Wang,Renming Zhan,Chen‐Hui Li,Yongming Sun
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (14): 5982-5989 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c02258
摘要

One main challenge of realizing high-energy-density lithium-sulfur batteries is low active materials utilization, excessive use of inert components, high electrolyte intake, and mechanical instability of high-mass-loading sulfur cathodes. Herein, chunky sulfur/graphene particle electrodes were designed, where active sulfur was confined in vertically aligned nanochannels (width ∼12 nm) of chunky graphene-based particles (∼70 μm) with N, O-containing groups. The short charge transport distance and low tortuosity enabled high utilization of active materials for high-mass-loading chunky sulfur/graphene particle electrodes. The intermediate polysulfide trapping effect by capillary effect and heteroatoms-containing groups, and a mechanically robust graphene framework, helped to realize stable electrode cycling. The as-designed electrode showed high areal capacity (10.9 mAh cm-2) and high sulfur utilization (72.4%) under the rigorous conditions of low electrolyte/active material ratio (∼2.5 μL mg-1) and high sulfur loading (9.0 mg cm-2), realizing high energy densities (520 Wh kg-1, 1635 Wh L-1).
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