High Area Capacity Lithium-Sulfur Full-cell Battery with Prelitiathed Silicon Nanowire-Carbon Anodes for Long Cycling Stability

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作者
A. Krause,Susanne Dörfler,Markus Piwko,Florian M. Wisser,Tony Jaumann,Eike Ahrens,Lars Giebeler,Holger Althues,Stefan Schädlich,Julia Grothe,A Greathouse Jeffery,Matthias Grube,Jan Brückner,Jan Märtin,J. Eckert,Stefan Kaskel,Thomas Mikolajick,Walter M. Weber
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:68
标识
DOI:10.1038/srep27982
摘要

Abstract We show full Li/S cells with the use of balanced and high capacity electrodes to address high power electro-mobile applications. The anode is made of an assembly comprising of silicon nanowires as active material densely and conformally grown on a 3D carbon mesh as a light-weight current collector, offering extremely high areal capacity for reversible Li storage of up to 9 mAh/cm 2 . The dense growth is guaranteed by a versatile Au precursor developed for homogenous Au layer deposition on 3D substrates. In contrast to metallic Li, the presented system exhibits superior characteristics as an anode in Li/S batteries such as safe operation, long cycle life and easy handling. These anodes are combined with high area density S/C composite cathodes into a Li/S full-cell with an ether- and lithium triflate-based electrolyte for high ionic conductivity. The result is a highly cyclable full-cell with an areal capacity of 2.3 mAh/cm 2 , a cyclability surpassing 450 cycles and capacity retention of 80% after 150 cycles (capacity loss <0.4% per cycle). A detailed physical and electrochemical investigation of the SiNW Li/S full-cell including in-operando synchrotron X-ray diffraction measurements reveals that the lower degradation is due to a lower self-reduction of polysulfides after continuous charging/discharging.

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