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3D Electrode architecture of high surface area carbon-sulfur composite as high energy density cathode for lithium-sulfur battery

硫黄 材料科学 锂硫电池 电化学 电解质 阴极 复合数 化学工程 电极 电池(电) 碳纤维 储能 多孔性 电流密度 充电周期 比表面积 复合材料 化学 催化作用 冶金 有机化学 量子力学 功率(物理) 物理化学 涓流充电 工程类 物理
作者
J. Grace,Madhushri Bhar,Sourav Ghosh,Surendra K. Martha
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier BV]
卷期号:969: 172341-172341 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2023.172341
摘要

High-performance lithium-sulfur (Li-S) battery is a potential candidate for next-generation energy storage systems to mitigate the ever-rising energy demand. The low cost of sulfur, eco-friendliness, and high energy density compared to the emerging LIBs (450 Wh kg−1 for Li-S batteries vs. 150–250 Wh kg−1 for LIBs) inspires the research on Li–S technology. In this work, carbon fiber-based free-standing electrodes are fabricated using a high surface area carbon-sulfur (HSAC-S) composite synthesized by the melt-diffusion method. The porous carbon host facilitates high sulfur loading in the void spaces and benefits the electrolyte infiltration and Li-ion diffusivity. Electrochemistry reveals that HSAC-S@CF exhibits an enhanced discharge capacity of 1000 mAh g−1 (750 mAh g−1 for HSAC-S@Al) in the 2nd cycle and maintains 620 mAh g−1 capacity till the 100th cycle. In comparison, HSAC-S@Al delivers 350 mAh g−1 capacity at the 80th cycle at a current density of 100 mA g−1. Besides, at 200 mA g−1, the free-standing electrode HSAC-S@CF delivers an initial capacity of 600 mAh g−1 (498 mAh g−1 HSAC-S@Al) and retains 497 mAh g−1 till the 100th cycle with 83 % capacity retention (60 % HSAC-S@Al). HSAC-S@CF displays good C-rate performance at a higher current density of 1 A g−1 (408 mAh g−1) and 1.5 A g−1 (346 mAh g−1). The conductive CF backbone provides mechanical stability, accommodates volume changes, and reduces particle agglomeration. The internal void spaces of the CF matrix act as a reservoir for polysulfides and minimize the shuttling effect. This work represents an effective cathode modification approach to understand the impact of high surface area carbon additives on free-standing 3D electrode architecture and its interaction with sulfur for improving the capacity and cycling stability in Li-S batteries.
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