Batería primaria de litio y azufre con densidad energética súper alta: basada en la coliflor
Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 14949 (2015) Citar este artículo
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En este trabajo se desarrollaron baterías primarias de litio-azufre, como rara vez se informa en la literatura anterior. Para maximizar su densidad de energía práctica, se diseñó un novedoso cátodo C/S poroso jerárquico similar a una coliflor, para facilitar el transporte de iones de litio y el alojamiento de azufre. Este tipo de cátodo podría liberar aproximadamente 1300 mAh g-1 (S) de capacidad con una carga de azufre de 6 ~ 14 mg cm-2 y mostró una excelente estabilidad en almacenamiento durante una prueba de un mes a temperatura ambiente. Como resultado, la batería de paquete blando de Li-S ensamblada alcanzó una densidad de energía de 504 Wh kg-1 (654 Wh L-1), que fue el valor más alto jamás reportado hasta donde sabemos. Este trabajo podría despertar el interés en el desarrollo de baterías primarias de Li-S, con un gran potencial para aplicaciones prácticas.
Los esfuerzos para desarrollar baterías primarias con alta densidad de energía y bajo costo nunca se han detenido desde la invención de las baterías de Volt en el siglo XVIII1,2. Muchos de los avances significativos se lograron durante el período de 1970 a 1990 y fueron promovidos por el desarrollo simultáneo de la tecnología electrónica, las nuevas demandas de fuentes de energía portátiles y el apoyo a los programas espaciales, militares y de mejora del medio ambiente. Especialmente en los últimos años se han desarrollado una gran cantidad de baterías con alta densidad energética, como los sistemas Zn-O2, Mg-O2, Al-O2, Na-O2 y Li-O23, que eran favorables en ambiente de oxígeno. Además de eso, también se han desarrollado baterías en condiciones aisladas, como los sistemas Li-SO2, Li-SOCl2, Li-MnO2 y Li-CFx actualmente desarrollados, para aplicaciones como el océano, el espacio, etc.
Como se muestra en la Tabla 13,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, estas baterías primarias en desarrollo ya han logrado una alta densidad de capacidad específica práctica, un excelente rendimiento a baja temperatura o una alta densidad de potencia. Sin embargo, todavía persisten algunos problemas característicos, como por ejemplo la seguridad insatisfactoria, la histéresis de tensión, la polarización electroquímica considerable o el coste de material relativamente alto. Además de eso, los aumentos en la densidad de energía de las baterías primarias han disminuido durante la última década, a medida que los sistemas de baterías existentes han madurado y el desarrollo de nuevas baterías de mayor energía se ve limitado por la falta de materiales y productos químicos para baterías nuevos y/o no probados. Por lo tanto, sigue siendo una tarea deseable pero desafiante desarrollar nuevas baterías primarias con alta densidad de energía.
Actualmente, las baterías Li-S atraen gran atención en todo el mundo14,15,16,17,18,19. Este sistema de batería posee un costo extremadamente bajo, una densidad de energía específica extremadamente alta (2600 Wh kg-1) y es respetuoso con el medio ambiente, lo que lo convierte en uno de los más prometedores jamás desarrollados20,21,22,23,24,25,26,27. 28,29,30,31. Sin embargo, las baterías Li-S suelen considerarse baterías secundarias, mientras que su gran potencial como baterías primarias se ha ignorado hasta cierto punto. En realidad, la estabilidad cíclica de las baterías de Li-S aún no es satisfactoria en comparación con las de iones de Li comerciales, pero su capacidad específica de descarga inicial es súper alta, alcanzando incluso el valor teórico32,33, lo que las hace adecuadas para aplicaciones primarias. Por otro lado, también se podría acumular más experiencia teórica y práctica para las baterías secundarias de Li-S durante el desarrollo de las primarias. Mientras tanto, la naturaleza recargable del sistema Li-S podría hacerlo más competitivo que las baterías primarias informadas anteriormente34. Actualmente, una de las tareas más desafiantes para el desarrollo de baterías primarias de Li-S es aumentar aún más su densidad de energía práctica, para competir con otros sistemas de baterías comerciales.
Para lograr este objetivo, diseñar cátodos de azufre con alto contenido de azufre y alta carga de azufre (“dos altos”35) es bastante esencial según la designación práctica de las baterías36. Sin embargo, aumentar la utilización de azufre (o material activo) es una cuestión desafiante, debido al aumento de la resistencia óhmica o la polarización de transferencia de carga37. Teniendo esto en cuenta, la estructura porosa de todos los cátodos (aparte de los materiales C/S) debe optimizarse aún más para mejorar el transporte de iones de litio, la distribución de azufre y el estado de acomodación26,38,39,40. Sin embargo, debido a la naturaleza aislante de las partículas de azufre, se debe agregar una gran cantidad de materiales conductores electrónicos (por ejemplo, carbono) a los cátodos23. Por lo tanto, aunque se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar una composición C/S de alto rendimiento, todavía rara vez se informa sobre los cátodos "dos altos". Aunque el cátodo basado en esponjas de grafeno-S36 y papel CNT-S41 podría permitir una carga de azufre de hasta 10 y 6 mg cm-2 por separado, aún se necesita más innovación técnica para ensamblarlos en tipos de bobinado o laminado según consideraciones comerciales.
Aquí, informamos sobre un tipo de batería primaria de Li-S ensamblada con cátodos estructurados únicos en forma de coliflor. Estos cátodos poseen enormes macroporos, meso y microporos híbridos, con un contenido de azufre del 75 % en el compuesto C/S y una carga de azufre de 6 ~ 14 mg cm-2 en papel de aluminio. Toda la batería primaria Li-S con capacidad de 6570 mAh se ensambló en un paquete blando con el cátodo preparado. Como resultado, la capacidad de salida específica de este cátodo alcanzó aproximadamente 1300 mAh g-1 (S), con una densidad de energía total de 504 Wh kg-1 (654 Wh L-1). Este valor, hasta donde sabemos, es el más alto jamás reportado en la literatura. El proceso de preparación detallado y la caracterización se analizan a continuación.
La Figura 1 ilustra el proceso de preparación del cátodo macro, meso y microporoso jerárquico conectado en 3D similar a una coliflor. Primero, el polvo KB 600 (KB para abreviar) con un gran contenido de meso y microporos se mezcló con gelatina, formando redes de partículas a partículas con un diámetro de 1 ~ 5 μm (Fig. 2a)42. La red de KB/gelatina preparada se carbonató luego a 900 °C para garantizar la conductividad eléctrica y la resistencia de la unión entre partículas individuales de KB en Ar. Las redes KB modificadas con gelatina (MKB para abreviar) se impregnaron luego con azufre elemental y formaron el MKB-S, con un contenido de azufre del 75% en peso28. A modo de comparación, el polvo de carbón Super P y KB también se impregnó con el mismo contenido de azufre, denominados Super PS y KB-S respectivamente. Finalmente, el compuesto C/S se mezcló con aglutinante y se vertió sobre papel de aluminio con una proporción de 9:1 (mc/s: aglutinante) en una máquina de recubrimiento (Figura S3). El proceso de preparación detallado se ilustró en la información de respaldo (Figura S1-S2).
Ilustración esquemática de los pasos de síntesis del electrodo tipo coliflor.
Imágenes FESEM de (a) KB, (b) KB-S, (c) MKB y (d) MKB-S.
La morfología de los materiales compuestos de carbono y C/S preparados se observó bajo un microscopio electrónico de barrido (SEM). Como se muestra en la Fig. 2a, las partículas de KB muestran una agregación irregular de polvo de carbono, con un tamaño de partícula primaria de 25 nm (Figura S5). Después de la infiltración de azufre, las partículas de KB-S se acumularon hasta formar partículas similares al arroz de 100 nm causadas por la naturaleza aglutinante del azufre (Fig. 2b). En composición, el MKB muestra grupos más grandes de aproximadamente 1 a 5 μm unidos por la gelatina carbonatada (Fig. 2c). Además de eso, la morfología de MKB-S casi no cambió después de la infiltración de azufre, lo que muestra una buena resistencia mecánica (Fig. 2d).
La estructura porosa de las partículas de carbono se caracterizó adicionalmente con la prueba de adsorción/desorción de nitrógeno mediante el método BET. Como se muestra en la Tabla 2 y la Figura S6, el volumen de poros >20 nm obviamente aumentó de 1,23 a 1,96 cm3g-1, y su porcentaje en el volumen total de poros aumentó de 47% a 63%. Como es sabido, la cantidad de gelatina carbonatada es tan pequeña que parece imposible hacer una diferencia tan grande en la distribución porosa. Más allá de eso, la morfología de una sola partícula de carbono también se mantuvo casi sin cambios después de la carbonatación de la gelatina (Figura S5). Entonces se podría concluir que el aumento del volumen de poros (>20 nm) fue causado principalmente por la acumulación de grupos de partículas de carbono previamente unidos intencionalmente. Esta parte de los poros podría facilitar la infiltración de electrolitos y el transporte de iones de litio a través del cátodo.
Al mismo tiempo, el MKB-S también se adhiere más fácilmente a la lámina de aluminio que el KB-S con el mismo contenido de aglutinante. Como se muestra en la Fig. 3a, el cátodo MKB-S mostró una excelente integridad estructural bajo un cierto grado de flexión. Por el contrario, los cátodos KB-S mostraron fuertes heces y se desprendieron del papel de aluminio (Fig. 3b). Esto también podría explicarse por la diferencia estructural entre ellos. En cuanto a MKB-S, la partícula de carbono individual ya ha sido pre-unida con gelatina carbonatada, por lo que se necesita menos pegamento para unir cada partícula de carbono. Al mismo tiempo, se podría utilizar más pegamento para unir las partículas de carbono a las láminas de aluminio, logrando una excelente calidad mecánica. Sin embargo, en cuanto al KB-S, se necesita una proporción de aglutinante mucho mayor para alcanzar la misma fuerza del aglutinante43. Se puede concluir que la gelatina carbonatada desempeña un papel vital en la coherencia de las partículas de carbono, lo que significa que nuestro diseño estructural de cúmulos de carbono es de gran importancia práctica.
Fotografía de los cátodos (a) KB-S y (b) MKB-S.
La morfología de la superficie del cátodo MKB-S se observó además en magnitudes de 5 × 103, 5 × 104, 2 × 105 con SEM. Como se muestra en la Fig. 4, los grupos de MKB-S del tamaño de un micrómetro estaban bien reservados en el cátodo y formaron una estructura similar a una coliflor. Los grupos MKB-S estaban empaquetados al azar sobre el papel de aluminio, creando una gran cantidad de poros interconectados en una escala submicrométrica. Mientras tanto, también existían enormes mesoporos y microporos en la única partícula de KB, lo que ofrecía además una gran superficie y volumen de poros para el alojamiento de especies de polisulfuro.
Imágenes SEM de MKB: (a) magnitud 5 × 103, (b) aumento 5 × 104, (c) magnitud 2 × 105, con la fotografía insertada de la sección correspondiente de una coliflor.
Debido a la rica estructura porosa del cátodo de coliflor, su capacidad de absorción de electrolitos también fue sobresaliente. Como se muestra en la Fig. 5, el cátodo MKB-S estructurado en forma de coliflor mostró una mayor absorción de electrolitos por volumen de cátodo o masa de azufre, en comparación con el cátodo Super PS. La alta absorción de electrolitos podría mejorar la utilización del azufre durante la descarga44,45,46,47, por lo que se prevé un mejor rendimiento para el cátodo MKB-S. El proceso de prueba y el método de cálculo se ilustran en la información de respaldo (sección 2.3).
Absorción de electrolitos de los cátodos (con fecha de la Tabla S1.
El rendimiento de Li-S de los cátodos con una carga de azufre que oscilaba entre 6 y 14 mg cm-2 se probó con pilas de botón. Como se muestra en la Fig. 6, la capacidad de descarga específica del cátodo con una carga de azufre de 6 mg cm-2 alcanzó 1310 mAh g-1 (S) en el primer ciclo y permaneció en 746 mAh g-1 después de 50 ciclos (Figura S9). . La capacidad específica de descarga inicial alcanzó 1316 mAh g-1 con una carga de azufre de 10 mg cm-2 y 1040 mAh g-1 reservados después de 10 ciclos (Figura S9). Curiosamente, la capacidad específica de descarga inicial aún alcanzó los 1310 mAh g-1 cuando la carga de azufre aumentó a 14 mg cm-2. La alta capacidad específica y el excelente rendimiento cíclico de los "dos cátodos altos" deben atribuirse a la estructura 3D única. Por un lado, los numerosos meso y microporos en la estructura similar a la coliflor mejoraron la utilización y acomodación de las especies de azufre. Por otro lado, los canales entre los grupos de coliflor (en escala micrométrica) podrían facilitar la penetración del electrolito en todos los compuestos MKB-S, lo que aseguró aún más la penetración del electrolito en cada esfera de carbono. En comparación, sin embargo, los cátodos basados en Super PS moldeados al azar solo pudieron ofrecer una capacidad específica de aproximadamente 900 mAh g-1 (S), debido al volumen relativamente bajo de meso/microporos y la baja absorción de electrolitos de acuerdo con informes anteriores48 . Para decirlo en pocas palabras, la estructura similar a una coliflor diseñada aseguró el transporte libre de iones de litio y la alta utilización de partículas de azufre, lo que hizo posible lograr una densidad de energía práctica súper alta.
Los perfiles de voltaje de descarga del primer ciclo para el cátodo Super PS con una carga de azufre de (a) 6 mg cm-2 y el cátodo MKB-S con una carga de azufre de (b) 6 mg cm-2, (c) 10 mg cm- 2 y (d) 14 mg cm-2, respectivamente.
Para analizar más a fondo la relación estructura-rendimiento de los cátodos MKB-S con forma de coliflor, se observó el cambio en la morfología de la superficie antes y después de la descarga. Debido a la dificultad de preparar cátodos de alta calidad utilizando materiales KB-S, se eligieron para comparar los cátodos fabricados con el compuesto Super PS más estudiado. La Figura 7 muestra las imágenes SEM de los cátodos Super PS y MKB-S antes y después de la descarga de la batería. Se observó claramente que los prístinos cátodos Super PS exhibían una estructura monolítica en contraste con la morfología "parecida a una coliflor" de MKB-S. Después de la descarga, se produjo mucho más Li2S o Li2S2 dentro de los cátodos MKB-S que en los cátodos Super PS, debido a que el cátodo MKB-S logró una capacidad de descarga mucho mayor (Fig. 6a, b). Sin embargo, como se observa en la Fig. 7b, d, los cátodos Super PS estaban totalmente cubiertos por una capa de precipitados de Li2S/Li2S2, mientras que los cátodos MKB-S permanecieron como la estructura porosa interconectada. Esto significa que la estructura MKB-S similar a una coliflor proporcionó suficiente volumen y superficie para acomodar la deposición de Li2S/Li2S2. Además de eso, los canales de transporte de iones de litio también se reservaron durante la descarga, asegurando así una descarga de mayor capacidad. Por cierto, aunque los macroporos en MKB-S parecían aumentados, esto debería atribuirse a la redistribución de especies de azufre dentro de las partículas de carbono.
Diagramas esquemáticos de morfologías del cátodo MKB y del cátodo Super P.
(a,c) original y (b,d) después de la descarga.
La Figura 8 podría explicar la relación estructura-rendimiento de ambos cátodos desde una vista macroscópica. Durante el proceso de descarga, se liberaría polisulfuro parcial en el electrolito a granel y se volvería a depositar en la superficie del carbono49. Y los polisulfuros son propensos a reducirse en la superficie del cátodo cerca del separador debido a la ruta de transporte de iones de litio más corta39. Como resultado, los productos de descarga de Li2S y Li2S2 cubrirían fácilmente la superficie del electrolito, especialmente para el cátodo Super P que posee intervalos más estrechos entre las partículas de carbono. Sin embargo, en el caso del cátodo MKB, los intervalos mucho más grandes (en escala micrométrica) son difíciles de bloquear, lo que garantiza la conductividad de los iones de litio.
Diagramas esquemáticos de morfologías del cátodo MKB-S y del cátodo Super PS.
(a,c) original y (b,d) después de la descarga.
Teniendo en cuenta los problemas de aplicación comercial en el futuro, también se requieren baterías Li-S con una baja tasa de autodescarga (o una larga vida útil). Sin embargo, debido a la alta reactividad de las especies de litio y azufre, siempre es probable que se produzca una reacción viciada cerca de la interfaz del litio. Después de un largo tiempo de reposo, esto podría resultar en una disminución significativa de la tensión de circuito abierto e incluso la desaparición de la primera meseta de descarga (alrededor de 2,3 V)50. Curiosamente, el problema de la autodescarga podría resolverse formando SEI estable con aditivo LiNO3, sin preocuparse por su agotamiento porque solo se necesitan varios procedimientos de descarga para la aplicación de batería primaria. Como resultado, en nuestro laboratorio, los cátodos MKB-S no mostraron disminución de capacidad incluso después de un tiempo de reposo de 30 días a temperatura ambiente. Como se muestra en la Fig. 9, la capacidad específica para el proceso de descarga inicial todavía es superior a 1300 mAh g-1, que es similar a la anterior a la prueba de estantería. Además, la meseta de descarga superior de alrededor de 2,3 V y la meseta de descarga inferior de alrededor de 2,1 V aumentaron ligeramente debido a la mejora de la infiltración de electrolitos. También cabe señalar que la batería aún podría realizar ciclos otras decenas de veces (Figura S11), lo que podría ser de gran valor para alguna aplicación especial, como las armas. Además del LiNO3, otras mejoras tecnológicas de los separadores o electrolitos también podrían ayudar a mejorar la estabilidad en almacenamiento.
Los perfiles de voltaje de descarga para el cátodo MKB-S con diferentes tiempos de reposo.
La carga de azufre en el cátodo es de 6 mg cm-2.
Para probar en última instancia el rendimiento práctico de los cátodos MKB-S con forma de coliflor diseñados, las baterías de paquete blando Li-S se ensamblaron en tipo pila51. La carga de azufre en cada cátodo fue superior a 6 mg cm-2. Como se muestra en la Fig. 10, la capacidad específica de descarga y la densidad de energía alcanzan 1304 mAh g-1 y 504 Wh kg-1 (654 Wh L-1), respectivamente. Este valor, hasta donde sabemos, es el más alto jamás reportado en la literatura y es bastante competitivo con otras baterías primarias comerciales. Debido a su densidad de energía teórica mucho mayor, el sistema de batería primaria de Li-S podría alcanzar una mayor densidad de energía, lo que muestra un gran potencial para su comercialización en el futuro26.
(a) El gráfico de descarga de voltaje-capacidad y (b) el gráfico de densidad de voltaje-energía de la batería de paquete blando Li-S, (c) la apariencia interna y (d) exterior de la batería de paquete blando Li-S.
En conclusión, el sistema Li-S es bastante prometedor como batería primaria, aunque ha sido ignorado durante un largo período. La batería Li-S diseñada podría lograr una densidad de energía súper alta y una buena estabilidad en almacenamiento, sin mencionar las excelentes características de bajo costo y respeto al medio ambiente, lo que la hace prometedora para aplicaciones comerciales en el futuro. Actualmente, se necesita mucho más trabajo de investigación para aumentar aún más la densidad de energía y la seguridad de las baterías primarias de Li-S.
En este artículo se estudió una batería primaria con litio y azufre como materiales activos, que alcanzó una densidad de energía de 504 Wh kg-1 (654 Wh L-1) utilizando por primera vez un cátodo similar a una coliflor de diseño propio. Debido a los macro, meso y microporos jerárquicos en el cátodo, se logró una capacidad específica de aproximadamente 1300 mAh g-1 (S) con una carga de azufre de 6 ~ 14 mg cm-2. Además, la batería primaria diseñada muestra una tasa de autodescarga extremadamente baja, casi sin pérdida de capacidad durante un mes. Más importante aún, debido al hecho de que la batería Li-S también se puede recargar varias veces, resulta atractiva para su uso práctico. Se considera que este trabajo de investigación despierta el interés de las baterías primarias de Li-S, arrojando luz sobre el desarrollo de las baterías de Li-S.
La preparación de grupos de carbono de negro de Kejent modificado (MKB) se preparó de la siguiente manera. Primero, se mezclaron 4 g de Kejent negro (KB) con 1 g de gelatina en mucha agua y luego se secaron a 60 °C para obtener el compuesto de gelatina KB. Luego, el compuesto se carbonató a 900 °C para obtener MKB. Las partículas de carbono KB y Super P se utilizaron directamente después de recibirlas. El compuesto de carbono/azufre (C/S) (MKB-S, KB-S y Super PS) se preparó incorporando el azufre sublimado en el carbono poroso mediante el método de difusión en estado fundido a 155 °C durante 4 h en un recipiente lleno de argón. Para ambas muestras, el contenido de azufre fue del 75% en peso. El cátodo se preparó colando los compuestos C/S sobre papel de aluminio, con un contenido de aglutinante C/S de 9:1. La carga de azufre sobre papel de aluminio se controló para que fuera de 6, 10 y 14 mg cm-2. El proceso de preparación de material más detallado se ilustró en la información de respaldo.
Para la medición del área de superficie se utilizó el método Brunauer-Emmett-Teller (BET). Para el análisis de poros se utilizó la adsorción-desorción Barrett-Joyner-Halenda (BJH). La morfología de las muestras se caracterizó mediante un microscopio electrónico de transmisión (TEM, JEM-2100) y un microscopio electrónico de barrido (SEM, QUANTA 200 FEG y JSM-7800F). La absorción de electrolitos y los datos porosos efectivos de los cátodos se probaron con TEGDME como medio de remojo.
Las pilas de botón del tipo 2016 se ensamblaron en una caja de guantes llena de argón con lámina de litio como ánodo, Cellgard 2325 como separador y LiTFSI 1,5 M en DME/DOL (1:1 v/v, con 5 % en peso de LiNO3) como elemento. electrólito. Las baterías tipo paquete blando se ensamblaron en una habitación seca con el cátodo, el separador y el ánodo en tipo pila. La capacidad de la batería era de unos 10 Ah. La prueba de carga-descarga se realizó utilizando equipos LAND CT-2001A (Wuhan Landian Corp.) y Arbin (BT2000, MIT) y el potencial de corte para carga y descarga se fijó en 2,8 V y 1,7 V, con corriente de descarga de 0,01 C (1 C = 1675 mAh g-1) respectivamente.
Cómo citar este artículo: Ma, Y. et al. Batería primaria de litio y azufre con densidad de energía súper alta: basada en el cátodo C/S estructurado similar a una coliflor. Ciencia. Rep. 5, 14949; doi: 10.1038/srep14949 (2015).
Armand, M. & Tarascon, JM Construyendo mejores baterías. Naturaleza 451, 652–657 (2008).
Anuncios de CAS Google Scholar
Brodd, RJ, Kozawa, A. y Kordesch, Baterías primarias de la serie de revisión del 75 aniversario de KV, 1951-1976. J. Electroquímica. Soc. 125, C271-C283 (1978).
Artículo de Google Scholar
Li, YG y Dai, HJ Avances recientes en baterías de zinc-aire. Química. Soc. Rev. 43, 5257–5275 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Linden, D. Manual de baterías 3ed ed., Parte. 2 (eds Linden, D.) Capítulo 7, 7.1–7.21 (The McGraw-Hill Companies, 2001).
Bruce, PG, Freunberger, SA, Hardwick, LJ & Tarascon, JM Baterías Li-O2 y Li-S con alto almacenamiento de energía. Nat. Madre. 11, 19-29 (2012).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Lee, JL, Kim, ST, Cao, RG, Choi, NS, Liu, ML, Lee, KT & Cho, J. Baterías de metal-aire con alta densidad de energía: Li-Aire versus Zn-Aire. Adv. Energía. Madre. 1, 34–50 (2011).
Artículo CAS Google Scholar
Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, AC, Swanson, S. y Wilcke, W. Batería de litio-aire: promesa y desafíos. J. Física. Química. Letón. 1, 2193–2203 (2010).
Artículo CAS Google Scholar
Mahesh Datt Bhatt, HG Michael Nolan, Colm O'Dwyer. Desafíos científicos clave en las baterías recargables no acuosas de Li-O2 actuales: experimento y teoría. Física. Química. Química. Física. 16, 12093–12130 (2014).
Artículo de Google Scholar
Hartmann, P. y col. Una batería recargable de superóxido de sodio (NaO2) a temperatura ambiente. Nat. Madre. 12, 228–232 (2013).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Chen, YF Investigación sobre la preparación y aplicación en baterías de litio de materiales de carbono fluorados, Tesis doctoral, Universidad de Tianjin (2010).
Regnier, N. & Guibe, C. Metodología para la degradación en múltiples etapas de polímero de poliimida. Polimero. Degradar. Puñalada 55, 165-172 (1997).
Artículo CAS Google Scholar
Li, W., Liu, J. y Yan, C. Nanotubos de carbono de paredes múltiples utilizados como catalizador de reacción de electrodo para VO2/VO2+ para una batería de flujo redox de vanadio. Carbono 49, 3463–3470 (2011).
Artículo CAS Google Scholar
Liu, C., Li, F., Ma, LP y Cheng, HM Materiales avanzados para el almacenamiento de energía. Adv. Madre. 22, E28-E62 (2010).
Artículo CAS Google Scholar
Li, Z. y col. Información sobre el mecanismo de los electrodos en baterías de litio-azufre con azufre confinado en carbono microporoso ordenado como cátodo. Adv. Energía. Madre. 4 (2014), 10.1002/aenm.201301473.
Wang, CW, Wang, XS, Yang, Y., Kushima, A., Chen, JT, Huang, YH & Li, J. Papel de cátodo de óxido de grafeno reducido/Li2S sin suspensión para baterías de litio y azufre de alto rendimiento. Nano Lett. 15, 1796–1802 (2015).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Chen, RJ, Zhao, T. & Wu, F. De una revisión histórica a horizontes más allá: las baterías de litio-azufre funcionan sobre ruedas. Química. Comunitario. 51, 18-33 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Xu, GL, Wang, Q., Fang, JC, Xu, YF, Li, JT, Huang, L. & Sun, SG Ajuste de la estructura y propiedades de los materiales catódicos nanoestructurados de baterías de iones de litio y azufre de litio. J. Mater. Química. A 2, 19941–19962 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Chen, H. y col. Nanopartículas de azufre ultrafinas en una carcasa de polímero conductor como materiales catódicos para baterías de litio/azufre de alto rendimiento. Ciencia. República 3, 1910 (2013).
Artículo CAS Google Scholar
Wei Seh, Z. y col. Nanoarquitectura de cáscara de yema de azufre-TiO2 con espacio vacío interno para baterías de litio-azufre de ciclo largo. Nat. Comunitario. 4, 1331 (2013).
ADS del artículo Google Scholar
Liang, X. y col. Un mediador de polisulfuro altamente eficiente para baterías de litio-azufre. Nat Commun 6, 10.1038/ncomms6682 (2015).
Lyu, Z. y col. Nanojaulas de carbono jerárquicas que confinan azufre de alta carga para baterías de litio-azufre de alta velocidad. Nano Energía 10.1016/j.nanoen.2015.01.033 (2015).
Ma, J. y col. Nueva síntesis a gran escala de un nanocompuesto C/S con redes conductoras mixtas mediante un enfoque de secado por aspersión para baterías Li-S. Adv. Energía. Mater, 10.1002/aenm.201500046 (2015).
Wang, MR y Zhang, HZ et al. Compuesto esférico de carbono/azufre grabado con vapor con alta capacidad de azufre y ciclo de vida prolongado para aplicaciones de baterías Li/S. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 7, 3590–3599 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Sun, Y. et al. Síntesis de un material ternario de polianilina@acetileno negro-azufre mediante fase líquida continua de dos pasos para baterías de litio-azufre. Electrochim. Acta 158, 143-151 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Strubel, P. y col. Plantillas duras de ZnO para la síntesis de carbonos porosos jerárquicos con porosidad adaptada y alto rendimiento en baterías de litio-azufre. Adv. Función. Madre. 25, 287–297 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Pope, MA, Aksay, IA Diseño estructural de cátodos para baterías Li-S. Adv. Energía. Madre. 10.1002/aenm.201500124 (2015).
Zheng, D. y col. Determinación cuantitativa y cualitativa de especies de polisulfuro en el electrolito de una batería de litio-azufre mediante HPLC ESI/MS con derivatización en un solo paso. Adv. Energía. Mater 10.1002/aenm.201401888 (2015).
Ji, X., L., KT y Nazar, LF Un cátodo de carbono-azufre nanoestructurado altamente ordenado para baterías de litio-azufre. Nat. Madre. 8, 500–506 (2009).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Ji, X., Evers, S., Black, R. y Nazar, LF Estabilización de cátodos de litio-azufre utilizando depósitos de polisulfuro. Nat. Comunitario. 2, 325 (2011).
ADS del artículo Google Scholar
Pang, Q., Kundu, D., Cuisinier, M. y Nazar, LF Química redox de polisulfuros mejorada en superficie en un huésped metálico y polar para baterías de litio-azufre. Nat. Comunitario. 5, 10.1038/ncomms5759 (2014).
Su, YS & Manthiram, A. Baterías de litio-azufre con papel de carbón microporoso como capa intermedia bifuncional. Nat. Comunitario. 3, 1166 (2012).
ADS del artículo Google Scholar
Zhao, Q. y col. Nanopuntos de azufre electrodepositados sobre espuma de Ni como cátodo de alto rendimiento para baterías Li-S. Nano Lett. 15, 721–726 (2015).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Yang, J. y col. Nuevos materiales de carbono coralloide jerárquicamente porosos dopados con nitrógeno como matrices huésped para baterías de litio-azufre. Electrochim. Actas 159, 8-15 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Thieme, S. y col. Una celda completa de litio-azufre con un ciclo de vida ultralargo: influencia de la estructura del cátodo y el aditivo de polisulfuro. J. Mater. Química. A 3, 3808–3820 (2015).
Artículo CAS Google Scholar
Wang, M. y col. Un material catódico compuesto estructurado con carcasa de múltiples núcleos y una red de polímero conductor para baterías Li-S. Química. Comunitario. 49, 10263–10265 (2013).
Artículo CAS Google Scholar
Lu, S., Chen, Y., Wu, X., Wang, Z. & Li, Y. Esponjas híbridas multifuncionales tridimensionales de azufre/grafeno para baterías de litio-azufre con gran carga de masa superficial. Ciencia. Rep. 4, 4629 (2014).
ADS del artículo Google Scholar
Cheon, SE et al. Batería recargable de litio y azufre. J. Electroquímica. Soc. 150, A800 (2003).
Artículo CAS Google Scholar
Wu, H. y col. Ánodos de batería de iones de litio estables mediante polimerización in situ de hidrogel conductor para recubrir conformalmente nanopartículas de silicio. Nat. Comunitario. 4, 1943 (2013).
ADS del artículo Google Scholar
Wang, Q. y col. Mejore la capacidad de velocidad del cátodo de azufre utilizando un aglutinante de gelatina. J. Electroquímica. Soc. 158, A775 (2011).
Artículo CAS Google Scholar
Chen, JJ y cols. Una nanomicroesfera S/MWCNT de arquitectura jerárquica con poros grandes para baterías de litio-azufre. Física. Química. Química. Física. 14, 5376–5382 (2012).
Artículo CAS Google Scholar
Yuan, Z. y col. Electrodos de papel de nanotubos de carbono independientes y jerárquicos con carga ultraalta de azufre para baterías de litio-azufre. Adv. Función. Madre. 24, 6105–6112 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Liu, R. y col. Carbonatación de gelatina in situ para preparar un cátodo LiFePO4 sin aglutinantes para baterías de iones de litio de alta potencia. Electrochim. Acta 78, 563–568 (2012).
Artículo CAS Google Scholar
Lv, D. y col. Baterías de litio-azufre de alta densidad energética: desafíos de los cátodos de azufre espesos. Adv. Energía. Madre. 10.1002/aenm.201402290 (2015).
Choi, JW y cols. Batería recargable de litio/azufre con electrolitos líquidos mixtos adecuados. Electrochim. Acta 52, 2075–2082 (2007).
Artículo CAS Google Scholar
Zhang, S., Ueno, K., Dokko, K. y Watanabe, M. Avances recientes en electrolitos para baterías de litio y azufre. Adv. Energía. Madre. 10.1002/aenm.201500117 (2015).
Zhang, S. Ciclabilidad mejorada de baterías de litio/azufre con electrolito líquido mediante la optimización de la relación electrolito/azufre. Energías 5, 5190–5197 (2012).
Artículo CAS Google Scholar
Urbonaite, S. & Novák, P. Importancia de parámetros experimentales "sin importancia" en el desarrollo de baterías Li-S. J. Fuentes de energía 249, 497–502 (2014).
Artículo CAS ADS Google Scholar
Sohn, H. y col. Nanocompuestos esféricos porosos de carbono/azufre mediante síntesis asistida por aerosol: el efecto de la estructura y morfología de los poros en su rendimiento electroquímico como cátodos de baterías de litio/azufre. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 6, 7596–7606 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Zhao, Y., Wu, W., Li, J., Xu, Z. & Guan, L. Encapsulación de MWNT en nanotubos de carbono porosos huecos: una nanoestructura de carbono de tubo en tubo para baterías de litio-azufre de alto rendimiento. Adv. Madre. 26, 5113–5118 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Manthiram, A. y Fu. Y. et al. Baterías Recargables de Litio Azufre. Química. Rev. 114, 11751–11787 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
Kim, JS y cols. Baterías de iones de litio apiladas múltiples de gran superficie para aplicaciones flexibles y enrollables. J. Mater. Química. A 2, 10862–10868 (2014).
Artículo CAS Google Scholar
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Los autores agradecen el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51403209, 21406221, 51177156/E0712), la Asociación de Promoción de la Innovación Juvenil (CAS2015148), el Programa de 100 Talentos del Instituto Dalian de Física Química y la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Liaoning de China. (2013020126), Proyecto cooperativo entre la provincia de Hubei y la Academia de Ciencias de China.
División de Almacenamiento de Energía, Instituto Dalian de Física Química, Academia China de Ciencias, 457 Zhongshan Road, Dalian, 116023, República Popular China
Yiwen Ma, Hongzhang Zhang, Baoshan Wu, Meiri Wang, Xianfeng Li y Huamin Zhang
Centro de Innovación Colaborativa de Química para Materiales Energéticos (iChEM), Dalian, 116023, PR China
Xianfeng Li y Huamin Zhang
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YM y HZ diseñaron los experimentos. YM, HZ, XL y BW realizaron los experimentos y recopilaron los datos. MW realizó los cálculos BET. YM y HZ escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados del manuscrito.
Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.
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Ma, Y., Zhang, H., Wu, B. et al. Batería primaria de litio y azufre con densidad de energía súper alta: basada en el cátodo C/S estructurado similar a una coliflor. Representante científico 5, 14949 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14949
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Recibido: 16 de junio de 2015
Aceptado: 09 de septiembre de 2015
Publicado: 12 de octubre de 2015
DOI: https://doi.org/10.1038/srep14949
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