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活性炭用于鋰硫電池

文章作者：韓研網絡部更新時間：2020-8-18 16:46:50

　　活性炭用于鋰硫電池，為什么選用活性炭材料，因為鋰硫電池是新開發的大功率儲能系統。然而，硫和多硫化物的低電導率導致低速率容量和快速容量衰減，這嚴重限制了其商業應用。因此我們針對高性能鋰硫電池應用開發了一種簡便，可持續且具有成本效益的策略，用自生物質制備雜原子摻雜的活性炭。與普通活性炭相比，N，P和S雜原子的存在改變了表面極性，帶來了大量的活性位點并提高了吸附性能。

　　鋰硫電池內活性炭的制備過程

　　首先，除去生物質的污垢和表面雜質，用清水徹底清洗活性炭原材料，然后用蒸餾水反復清洗，然后將它們粉碎成碎片，然后在烤箱中100°C下干燥。為了進行預碳化，將干燥的生物質在氮氣氛下的真空管式爐中在500°C的溫度下熱解2小時，以去除少量有機分子。隨后，為了通過化學活化提高比表面積，將預碳酸化的生物質以1：4的重量比浸入作為化學活化劑的水溶液中，然后充分攪拌6小時以確保完全滲透。之后，將混合物在N 2下于900°C退火1小時。最后，用鹽酸反復洗滌退火后的樣品，然后用過量的蒸餾水沖洗以獲得中性pH。最終樣品通過在80°C的空氣中干燥獲得，并標記為多孔活性炭。相比之下，使用相同步驟制備的未添加活化劑的產品被標記為無孔活性炭。接著使用這兩種活性炭升級成加硫復合材料，將升華后的硫(純度>99.95%)和相應的活性炭粉末(重量比為60:40)充分混合并在研缽中研磨。然后，將獲得的混合物用特氟隆容器密封在高壓釜中。在155°C下熱處理12小時后，獲得了多孔摻硫活性炭和無孔摻硫活性炭復合材料。

　　圖1：活性炭摻硫復合材料的示意圖。

　　使用活性炭的鋰電池的電性能

　　為了評估活性炭作為陰極的電化學性能，將鋰箔作為陽極組裝到鋰硫電池的紐扣電池中。用于第一，第二和第三個循環的循環伏安圖(CV)曲線上在0.05毫伏·秒的掃描速率的電位窗口進行(圖2A)。在第一循環期間，觀察到兩個陰極峰在2.26和1.97 V，CV曲線中最初的幾個循環幾乎重疊，這表明循環穩定性極佳，容量保持率相對較高。活性炭的恒電流充電/放電曲線和循環穩定性的測試中，如在圖中所描述2B、C。活性炭電極的首次放電容量為1045 mAh·g -1，約為硫理論容量的62.5%。此外，活性炭電極在第100次循環時也顯示出869.8mAh·g -1的放電容量。如圖2d所示測量活性炭的倍率性能，在200–3200 mA·g -1下表現出1260、1050、806、513、290 mAh·g -1的可逆放電容量。此外，當電流密度達到800 mA·g時，活性炭陰極的放電容量為802 mAh·g -1。多孔活性炭材料表現出中等的鋰硫電池電化學性能，顯示出高性能鋰硫電池的潛力。