リチウム硫黄電池のカソードの硫黄ホストとしてのコバルトドープ中空炭素フレームワーク

著者：ジン・ガオヤオ、ヘ・ハイチュアン、ウー・ジエ、チャン・メンユアン、リー・ヤージュアン、リウ・ユニアン。リチウム硫黄電池のカソードの硫黄ホストとしてのコバルトドープ中空炭素フレームワーク。無機材料ジャーナル[J]、2021、36(2): 203-209 DOI:10.15541/jim20200161

TOBニューエナジー は、リチウム イオン電池、 ナトリウムイオン電池、 硫黄電池、全 固体 電池 さまざまな 電池材料 を提供し ています 。 お 見積り はお問い合わせください。

カソードの性能は、ヘテロ原子と炭素フレームワークの相乗効果である程度改善できますが、LiPSの過剰な蓄積と必然的な拡散を引き起こすポリスルフィド変換反応の反応速度が遅いため、依然として大幅に制限されています。遷移金属化合物は、変換反応速度を加速するために硫黄ホストに広く導入されています。近年、Co、Fe、Pt などの特定の金属ナノ粒子が同様の加速効果を示しました。これらの金属の中で、コバルト金属は、その優れた導電性とポリスルフィドとの強い相互作用のために研究者の注目を集めています。充電および放電プロセス中に、ポリスルフィドを効果的に捕捉し、変換反応を促進できます。李ら。ZIF-67前駆体の焼成により、硫黄ホストとしてCoおよびNドープ炭素を得ました。均一に分散した Co ナノ粒子は、N ドープ基の相乗効果により酸化還元反応を明確に加速しました。さらに、Du 等。Wuらは、単分散コバルト原子が埋め込まれた窒素ドープグラフェンカソードを発表し、Wuらは、アデニンとCoCl2のその場焼成により、Coナノドット/Nドープメソポーラスカーボンを製造しました。これらのレポートのすべてで、Co-contained システムは優れたサイクリング性能を獲得しました。は、アデニンと CoCl2 の in-situ 焼成により、Co ナノドット/N ドープ メソポーラス カーボンを作製しました。これらのレポートのすべてで、Co-contained システムは優れたサイクリング性能を獲得しました。は、アデニンと CoCl2 の in-situ 焼成により、Co ナノドット/N ドープ メソポーラス カーボンを作製しました。これらのレポートのすべてで、Co-contained システムは優れたサイクリング性能を獲得しました。

この作業では、Li-S 電池のサイクル性能とレート性能を向上させるために、コバルト ナノ粒子で装飾された 3D 中空炭素フレームワークが硫黄陰極のホストとして設計されました。安価で豊富な添加剤であるクエン酸ナトリウムは、直接焼成中のその独特の性質から炭素源として採用されています。また、コバルト含有システム (Co/C-700) とカーボン フレームワーク (HEC-700) の電気化学的性能を体系的に評価して、硫黄カソードに対するドープ コバルト ナノ粒子の効果を確認しました。

1 実験的

1.1 材料の合成

この作業で使用されるすべての化学試薬は、さらに精製することなく分析グレードのものでした。簡単に説明すると、0.25 g の Co(NO3)2 ・6H2O と 5.0 g のクエン酸ナトリウムを 20 mL の脱イオン水に磁気攪拌下で溶解し、均一な溶液を形成しました。次に、溶液を凍結乾燥し、微粉末に粉砕し、N2 下で 700 ℃、5 ℃・min-1 の加熱速度で 1 時間焼成しました。得られた複合体 (UWC-700 と命名) を脱イオン水で 3 回洗浄して、副生成物を除去しました。60 ℃ で一晩乾燥させた後、最終生成物を集めて Co/C-700 と表示しました。Co の効果をさらに確認するために、Co/C-700 を 2 mol/L HCl で 12 時間エッチングし、中性になるまで洗浄し、80 ℃ で 12 時間乾燥することにより、塩酸エッチング カーボン (HEC-700) を得た。

カソード複合体は、従来の溶融拡散法によって調製された。簡単に説明すると、硫黄 (70wt%) と Co/C-700 (または HEC-700) 複合材料の混合物を 20 分間粉砕し、20 mL のテフロン コンテナー オートクレーブに移し、155 ℃ で 12 時間加熱しました。得られた粉末をS@Co/C-700およびS@HEC-700として回収した。 ポリスルフィドの材料特性と静的吸着は、補足資料に示されています。

1.2 電気化学的特性評価

S @ Co / C-700およびS @ HEC-700カソードの電気化学的性能は、アルゴンで満たされたグローブボックス（MBraun、ドイツ）で製造されたCR2025タイプのコインセルによってテストされました。硫黄カソード スラリーは、S@Co/C-700 (または S@HEC-700)、アセチレン ブラック、およびポリフッ化ビニリデン (PVDF) 結合剤を、N-メチル-2- 中で 7:2:1 の重量比で混合することによって調製されました。ピロリジノン（NMP）。次に、得られたスラリーをＡｌ箔上に均一にキャストした。さらに、メンブレンを 50 ℃ の真空下で一晩乾燥させ、1.1 ～ 1.7 mg·cm-2 の硫黄負荷でディスク (直径 1 cm) に切断しました。通常のポリプロピレン膜 (Celgard 2400) を使用して、カソードとリチウム アノードを分離しました。各セルで使用される電解質は、50 μL の 1mol/L LiN(CF3SO2)2 および 1wt% LiNO3 溶液の DOL/DME (体積で 1:1) でした。定電流充放電試験は、LAND CT 2001A バッテリー試験システム (Jinnuo Electronic Co、武漢、中国) により、1.7 ～ 2.8 V の電圧ウィンドウ内で実行されました。 0.1 mV∙s-1 のスキャン レート。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、開回路で5 mVの電圧振幅で0.1 MHzから10 mHzの周波数範囲で実行されました。CVおよびEIS測定は、CHI 660E電気化学ワークステーション（Chenhua Instruments Co、上海、中国）で実行されました。対称セルは、同一のカソードとアノードとして Co/C-700 または HEC-700 (重量比で PVDF と 8:2)、および 1 mol/L LiN(CF3SO2)2、1wt% LiNO3、および0.2 mol/L Li2S6 の DOL/DME (体積が 1:1) 溶液。中国) 1.7 から 2.8 V の電圧ウィンドウ内。サイクリックボルタンメトリー (CV) 測定は、0.1 mV∙s-1 のスキャン レートで 1.5 から 3.0 V で実行されました。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、開回路で5 mVの電圧振幅で0.1 MHzから10 mHzの周波数範囲で実行されました。CVおよびEIS測定は、CHI 660E電気化学ワークステーション（Chenhua Instruments Co、上海、中国）で実行されました。対称セルは、同一のカソードとアノードとして Co/C-700 または HEC-700 (重量比で PVDF と 8:2)、および 1 mol/L LiN(CF3SO2)2、1wt% LiNO3、および0.2 mol/L Li2S6 の DOL/DME (体積が 1:1) 溶液。中国) 1.7 から 2.8 V の電圧ウィンドウ内。サイクリックボルタンメトリー (CV) 測定は、0.1 mV∙s-1 のスキャン レートで 1.5 から 3.0 V で実行されました。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、開回路で5 mVの電圧振幅で0.1 MHzから10 mHzの周波数範囲で実行されました。CVおよびEIS測定は、CHI 660E電気化学ワークステーション（Chenhua Instruments Co、上海、中国）で実行されました。対称セルは、同一のカソードとアノードとして Co/C-700 または HEC-700 (重量比で PVDF と 8:2)、および 1 mol/L LiN(CF3SO2)2、1wt% LiNO3、および0.2 mol/L Li2S6 の DOL/DME (体積が 1:1) 溶液。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、開回路で5 mVの電圧振幅で0.1 MHzから10 mHzの周波数範囲で実行されました。CVおよびEIS測定は、CHI 660E電気化学ワークステーション（Chenhua Instruments Co、上海、中国）で実行されました。対称セルは、同一のカソードとアノードとして Co/C-700 または HEC-700 (重量比で PVDF と 8:2)、および 1 mol/L LiN(CF3SO2)2、1wt% LiNO3、および0.2 mol/L Li2S6 の DOL/DME (体積が 1:1) 溶液。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、開回路で5 mVの電圧振幅で0.1 MHzから10 mHzの周波数範囲で実行されました。CVおよびEIS測定は、CHI 660E電気化学ワークステーション（Chenhua Instruments Co、上海、中国）で実行されました。対称セルは、同一のカソードとアノードとして Co/C-700 または HEC-700 (重量比で PVDF と 8:2)、および 1 mol/L LiN(CF3SO2)2、1wt% LiNO3、および0.2 mol/L Li2S6 の DOL/DME (体積が 1:1) 溶液。

2 結果と考察

図1は、三次元（3D）コバルトドープ炭素複合材料の合成手順の概略図を示しています。クエン酸ナトリウム (SC) を不活性雰囲気でアニールすると、Na+ 種が Na2CO3 結晶に変換され、極薄のカーボンナノシートが表面に現れました。温度がさらに上昇すると、結晶は活性化剤として機能し、コーティングされた炭素と反応して層状の多孔質シェルを形成します。一方、コバルト元素はCoナノ粒子に変換され、炭素熱還元により炭素フレームワークに埋め込まれました。

図 1 中空 Co/C 複合材料の合成手順と得られる電極への影響の概略図

UWC-700 と Co/C-700 の組成と結晶構造は、XRD によって特徴付けられました。UWC-700 の主な回折ピーク (図 S1) は、単斜晶 Na2CO3 (PDF#72-0628) と一致していますが、2θ=44.2°、51.5°、および 75.9° の他の 3 つのピークは、Co の結晶データとよく一致します (PDF #15-0806)、SC の完全な分解とコバルト元素の減少を示します。Co/C-700 の XRD パターン (図 2(a)) は、コバルト金属の特徴的なピークのみを示しており、Na2CO3 が完全に除去されていることを示唆しています。さらに、2θ=26° 付近の明らかなブロード ピークは、黒鉛化炭素の (002) 面を表します。一方、Co/C-700 のラマン スペクトル (図 2(b)) に示すように、D (1382 cm-1) と G (1594 cm-1) の 2 つの明らかなバンドの強度比は 0.866 です。その高い黒鉛化度に対応します。加えて、680 cm-1 の小さなピークは、コバルトの特徴的なピークです。Co / C-700のTGA曲線を図S2（a）に示し、Co含有量を確保します。TGA テスト後の最終生成物 (17.83wt%) は Co3O4 として識別でき (図 S2(b))、Co/C-700 の対応する Co 含有量は計算により 13.09wt% であり、XPS の結果とよく一致します。 (図 2(c))、Co の原子比と重量比は、それぞれ 3.24at% と 13.66wt% です。

図 2 (a) XRD パターン、(b) ラマン スペクトル、(c) XPS スペクトル、(d) Co/C-700 の N2 吸脱着等温線、(d) に細孔径分布を示す挿入図

図 S1 UWC-700 の XRD パターン

図 S2 (a) 空気中の Co/C-700 の TGA 曲線と (b) 最終生成物の XRD パターン

Co/C の多孔質構造は、BET 法によって特徴付けられました。N2 吸脱着等温線 (図 2(d)) は、豊富なメソポーラス構造を表す明確なヒステリシス ループを示しています。比表面積値と細孔容積は、それぞれ 376.13 m2·g-1 と 0.52 cm3·g-1 と測定されました。Barrett-Joyner-Halenda（BJH）法によって決定された細孔サイズ分布（図2（d）の挿入図）は、高いメソ多孔性（62.76％、表S1）を持つ明確な階層的多孔性構造を示しています。相互接続されたメソ細孔と高表面積は、吸着と酸化還元反応のさらなる強化のためにコバルト部位を適切に露出させることができます。さらに、他の2つのサンプル、UWC-700とHEC-700で同じテストを実行しました（図S3）。非常に低い表面積 (15.09 m2·g-1) と細孔容積 (0. UWC-700 の 026 cm3∙g-1) は、細孔の大部分が Na2CO3 結晶で満たされていることを示しています。HEC-700 の表面積と細孔容積は、Co/C-700 とほぼ同じです。これは、エッチング工程中に炭素フレームワークが十分に保存されていることを意味します。さらに、HEC-700のメソポアの体積（表S1）はエッチング後に5.4％増加し、Coナノ粒子がメソポアサイズであることが確認されました。

Co / C-700の形態と構造は、SEM（図S4）とTEM（図3（a、b））によって特徴付けられました。Co/C-700 粒子は、3D 相互接続された炭素シェルの構造を示しています。高解像度 TEM (HRTEM) 画像 (図 3(c)) はさらに、0.205 nm の d 間隔を持つナノ粒子の格子縞が金属コバルトの (111) 面に対応することを示しています。ナノ粒子を包む曲がったフリンジの d 間隔 (0.35 nm) は、グラファイト カーボンの (002) 面とよく一致しています。EDSマッピング画像（図3（d））は、Co、C、およびO元素の分布を示しており、コバルト元素がカーボンシェル上に均一に分散していることが確認されました。

表 S1 UWC-700、Co/C-700、HEC-700 の BET 表面積と細孔容積分布

図 3 (a、b) TEM、(c) 高分解能 TEM (HRTEM) 画像、および (d) Co/C-700 の EDS 元素マッピング (Co、C、および O)

図 S3 UWC-700 と HEC-700 の N2 吸脱着等温線 (a) と細孔径分布 (b)

図 S4 Co/C-700 の SEM 像

Li-S 電池におけるコナノ粒子の電気化学的効果をさらに確認するために、HEC-700 を対照サンプルとして使用しました。XRDパターン、SEM画像（図S5）、およびBETデータは、Co元素の存在を除いて、HEC-700がCo / C-700とほぼ同じ構造を所有していることを示しています。S@Co/C-700 および S@HEC-700 電極は、Li-S バッテリーのカソードとして準備されました。図S6に示すように、室温と450℃の間の主な重量損失は硫黄の昇華に起因し、S @ Co / C-700およびS @ HECの70.99wt％と68.42wt％の硫黄含有量に対応します- それぞれ700。

図 S5 HEC-700 の XRD パターン (a) と SEM 画像 (b)

図 S@Co/C-700 と S@HEC-700 の N2 雰囲気下での S6 TGA 曲線

S@Co/C-700 の表面組成を XPS で調査しました。調査スペクトル（図S7）は、複合材料の表面にS、C、N、O、およびCo元素が存在することを示しています。小さな N は、Co(NO3)2 の前駆体からのものです。硫黄の割合が非常に低い（7.83at%）ということは、硫黄の結晶が多孔質構造にうまく浸透していることを示しています。S2p の高分解能スペクトル (図 4(a)) は、4 つの主要なピークを示しています。164 および 165.2 eV のピークは、それぞれ S2p3/2 および S2p1/2 に対応します。169 および 170.1 eV にあるピークは、それぞれチオ硫酸塩と S-Co に起因します。C1sスペクトルを図4（b）に示します。284.8、285.6、288.8 eV のピークは CC、CO、O=CO 結合に対応し、Co/C-700 の C1s スペクトルとほぼ同じです (図 S8(a))。そして、O1s のスペクトル (図 4(c)) は、O=C を示しています。OC および O= CO は、それぞれ 531.6、532.4、および 533.4 eV です。Co / C-700（図S8（b））と比較すると、これらのピークはすべて0.5 eV以上シフトし、硫黄と酸素の官能基間の相互作用をさらに検証します。さらに、図4（d）のCo2pのスペクトルは、コバルト金属を表す780.3および797.9 eVにCo2p3 / 2およびCo2p1 / 2の2つの主要なピークを示しています。Co / C-700の曲線（図S8（c））とは異なり、S @ Co / C-700では783.7および800.4 eVに2つの余分なピークが現れ、硫黄とコバルトの間の強い相互作用が示唆されます。静的吸着試験は、LiPS と Co/C-700 または HEC-700 の間の相互作用をより直感的に調査するために採用されました。そして写真は、Co/C-700 の無色の溶液と、HEC-700 のほとんど変化しない色を示しています (図 S9)。

図 S7 S@Co/C-700 複合材料の XPS スペクトル

図 S8 Co/C-700(a) C1s の高分解能 XPS スペクトル。(b) O1; (c) Co2p

図 4 S@Co/C-700 複合材料の高分解能 XPS スペクトル

(a) S2p; (b) C1; (c) O1; (d) Co2p

図 S9 1 時間放置後の HEC-700 と Co/C-700 の静的吸着試験の写真

効果的な吸着と強い相互作用とは別に、コバルトナノ粒子のドーピングは、S8 と Li2S の間の変換反応の動力学を効率的に改善することができます。Co/C-700 および HEC-700 電極を備えた対称セルのサイクリックボルタンメトリー (CV) を使用して、コバルトナノ粒子の効果を確認しました。図5（a）のCV曲線は、8つのレドックスピークが大きく重なり合っていることを明確に示しています（図S10（a））。酸化還元ピークの分離と安定性は、変換反応の改善された可逆性と動力学を示しています。さらに、-1 V までの最初のスキャンの曲線は、元の Li2S6 から作用電極での不溶性 Li2S への段階的な還元と、対電極での Li2S6 の酸化を表す 3 つのピークを示しています。-0.112、0.093、0.326、および 0 の 4 つのピーク。401 V は、作用電極上での Li2S から元素硫黄への段階的な酸化を表します。したがって、0.112 V のピークは、S8 から Li2S6 への還元に対応します。さらに、より高いスキャンレートで持続性が良好なピーク（図S10（b））も、Co / C-700電極に基づく効率的な電気化学プロセスを示しています。対照的に、HEC-700電極の実験的制御は、周期的なドリフト（図S10（c））を伴う2対の広いピーク（図5（b））のみを示し、-0.264 / 0.264 Vの目立たないピークはより高い速度では見えず（図S10（d））、速度が遅く、Coナノ粒子が存在しないとポリスルフィド反応の変換が不完全であることを示しています。より高いスキャンレートで持続性が良好なピーク（図S10（b））も、Co / C-700電極に基づく効率的な電気化学プロセスを示しています。対照的に、HEC-700電極の実験的制御は、周期的なドリフト（図S10（c））を伴う2対の広いピーク（図5（b））のみを示し、-0.264 / 0.264 Vの目立たないピークはより高い速度では見えず（図S10（d））、速度が遅く、Coナノ粒子が存在しないとポリスルフィド反応の変換が不完全であることを示しています。より高いスキャンレートで持続性が良好なピーク（図S10（b））も、Co / C-700電極に基づく効率的な電気化学プロセスを示しています。対照的に、HEC-700電極の実験的制御は、周期的なドリフト（図S10（c））を伴う2対の広いピーク（図5（b））のみを示し、-0.264 / 0.264 Vの目立たないピークはより高い速度では見えず（図S10（d））、速度が遅く、Coナノ粒子が存在しないとポリスルフィド反応の変換が不完全であることを示しています。

図 S10 Co/C-700 ベースの対称セルの 1 mV∙s-1 (a) および増加率 (b) でのマルチサイクル CV 曲線、および 1 mV∙s-1 での HEC-700 のマルチサイクル CV 曲線1 (c) および増加率 (d)

図 5 (a) Co/C-700 および (b) HEC-700 ベースの対称セルの CV 曲線。(c) CV 曲線と (d) S@Co/C-700 および S@HEC-700 電極の EIS プロット

コバルトナノ粒子の存在下での電気化学反応速度の向上をさらに確認するために、S@Co/C-700 および S@HEC-700 電極の CV テスト (図 5(c)) をスキャンレート 0.1 mV∙で測定しました。 s-1。S@Co/C-700 のカソード還元プロセスでは、2.306 V と 2.031 V の 2 つの可逆的ピークが、それぞれ硫黄から可溶性 LiPS への変換と、さらに不溶性 Li2S2/Li2S への還元に関連しています。比較すると、S@HEC-700 の後者の還元ピークは、有意な負のシフトを示しています。これは、LiPS の滞留時間を増加させ、シャトル効果を悪化させる可能性がある、反応速度がより遅いことを示唆しています。陽極プロセスの場合、S@Co/C-700 の酸化プロセスは、2.397 V に目立たないピークと 2.361 V に主要なピークを示します。これは、Li2S2/Li2S から LiPS へ、さらに硫黄への酸化に対応します。それぞれ。酸化ピークの分離は、前者の反応の動力学が向上していることを示しています。さらに、S@Co/C-700 の 2 番目の還元ピークと主要な酸化ピークの間隔 (270 mV、図 5(c)) は、S@HEC-700 の間隔 (420 mV) よりも大幅に小さくなっています。コバルトの存在により、分極過電圧が減少し、レドックス反応の反応速度が改善されます。EIS 曲線 (図 5(d)) は、S@Co/C-700 電極 (43.1 Ω) の電荷移動抵抗 (高周波半円のサイズ) が、S@HEC-700 (58.7 Ω) よりも小さいことを示しています。 )、これはまた、コバルトによる強化された反応速度論を明らかにします。5(c)) は S@HEC-700 の値 (420 mV) よりも大幅に小さく、コバルトの存在により分極過電圧が減少し、レドックス反応の動力学が改善されたことを示しています。EIS 曲線 (図 5(d)) は、S@Co/C-700 電極 (43.1 Ω) の電荷移動抵抗 (高周波半円のサイズ) が、S@HEC-700 (58.7 Ω) よりも小さいことを示しています。 )、これはまた、コバルトによる強化された反応速度論を明らかにします。5(c)) は S@HEC-700 の値 (420 mV) よりも大幅に小さく、コバルトの存在により分極過電圧が減少し、レドックス反応の動力学が改善されたことを示しています。EIS 曲線 (図 5(d)) は、S@Co/C-700 電極 (43.1 Ω) の電荷移動抵抗 (高周波半円のサイズ) が、S@HEC-700 (58.7 Ω) よりも小さいことを示しています。 )、これはまた、コバルトによる強化された反応速度論を明らかにします。

図 6 は、S@Co/C-700 と S@HEC-700 カソードの電気化学的性能を比較しています。S@Co/C-700 のレート容量 (図 6(a)) は、S@HEC-700 (847 mAh∙g-1) よりもはるかに高い初期放電容量 (1280 mAh∙g-1) を示します。電流レート 0.5C (1C = 1672 mAh∙g-1)。1C、2C、5C、および 10C のより高いサイクル レートでは、S@Co/C-700 カソードの放電容量は 1058、948、867、および 797 mAh∙g-1 に達し、さらに 968 mAh∙g-1 に回復します。 1C (10 サイクルの 95 %)。また、さまざまなレートでの定電流充放電電圧プロファイルは、S @ Co / C-700電極が10Cでも過電圧が小さく、放電プラトーがはるかに長いことを示しています（図S11）。1Cレートでの2つのカソードのサイクル安定性を図6（b）で比較します。S@Co/C-700 カソードは、1244 mAh∙g-1 の高い初期容量を示します。高いクーロン効率 (96 % 以上) で 200 サイクル後も 770 mAh∙g-1 を維持し、S@HEC-700 よりもはるかに高い容量と優れた安定性を示しています。2Cでの長期サイクリング性能は、図S12（a）に示されています。600 サイクル後、S@Co/C-700 カソードは 401.7 mAh∙g-1 (S@HEC-700 では 65.3 mAh∙g-1) の放電容量を維持しました。5Cおよび10Cでの非常に高いレートは、S @ Co / C-700カソードでさらに評価されます（図S12（b））。活性化ステップなしで高い初期放電容量 (5C および 10C でそれぞれ 1098 および 772 mAh∙g-1) を示し、200 以上の安定したサイクル性能 (5C および 10C でそれぞれ 518 および 416 mAh∙g-1) を示します。サイクル。S@Co/C-700 電極の優れたサイクル安定性とレート性能は、コバルト ナノ粒子の利点によるものです。

図 6 (a) 0.5C から 10C までのさまざまなレートでのレート機能、および (b) S@Co/C-700 および S@HEC-700 電極の 1C でのサイクル安定性

図 S11 S@HEC-700 (a) および S@Co/C-700 (b) 電極の 0.5C から 10C までのさまざまなレートでの電圧プロファイル

図 S12 (a) 2C での S@Co/C-700 および S@HEC-700 電極のサイクル安定性。(b) 5C および 10C での S@Co/C-700 のサイクル性能

3 結論

要約すると、Li-S バッテリーの硫黄をサポートするホスト材料として Co/C-700 複合材料の大規模合成を設計します。CVおよびEISの結果と組み合わせて、埋め込まれたCoナノ粒子が過電圧を減少させ、LiPSの変換速度を促進すると結論付けています。さらに、XPS および静的吸着テストは、LiPS とドープされた Co との間の強い相互作用を示しています。 Co と独自の中空多孔質構造の協力により、得られた S@Co/C-700 カソードは 1280 mAh∙g の高い比容量を示します。 0.5Cで-1、1Cから10Cまで安定したロングサイクル性能。この研究は、高レート要件に対応するコバルト金属のドーパントを使用した高エネルギー密度 Li-S バッテリーの実現可能性を示しています。

サポート資料

リチウム硫黄電池のカソードの硫黄ホストとしてのコバルトドープ中空炭素フレームワーク

ジン・ガオヤオ、ヘ・ハイチュアン、ウー・ジエ、チャン・メンユアン、リー・ヤージュアン、リウ・ユニアン

Hunan Provincial Key Laboratory of Micro & Nano Materials Interface Science, College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

材料の特性評価

合成されたままのサンプルの結晶構造は、Cu Kα線を使用したX線パワー回折（XRD、Dmax / 2550VB、リガク、日本）によって特徴付けられました。表面形態と微細構造は、走査型電子顕微鏡（SEM、FEI Verios 460）によって取得されました。X線エネルギー分散分光計（EDS）を備えた透過型電子顕微鏡（TEM、JEM-2100F）を使用して、Co / C-700の透過画像と高解像度画像を収集しました。Co/C-700 の Co 含有量および S@Co/C-700 または S@HEC-700 の S 含有量は、熱重量分析装置 (TGA、Q600、米国) により、それぞれ空気中または N2 中で、加熱速度10℃・min-1。ラマン分光法は、50 mW で 532 nm レーザー放射下の顕微鏡を備えた反射ラマン システム (Via Raman 顕微鏡、英国の Renishaw) を使用して実行されました。X線光電子分光計（XPS）分析は、ESCALAB 250XI X線光電子分光計（Thermo Fisher Scientific、USA）で実行されました。サンプルの比表面積と細孔サイズ分布は、窒素吸脱着分析によって決定されました。

ポリスルフィドの静的吸着

通常、0.003 mol/L Li2S6 溶液は、化学量論的な Li2S と S を 1,2-ジメトキシエタン (DME) と 1,3-ジオキソラン (DOL) (体積で 1 : 1) 中で 60 ℃ で 24 時間反応させることによって得られました。次いで、１０ｍｇのＣｏ／Ｃ－７００またはＨＥＣ－７００を３ｍＬのポリスルフィドリチウム溶液に添加した。写真は、サンプルを 1 時間放置した後に撮影したものです。