活性炭用于鋰硫電池
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(fā)的大功率儲能系統(tǒng)。然而，硫和多硫化物的低電導(dǎo)率導(dǎo)致低速率容量和快速容量衰減，這嚴(yán)重限制了其商業(yè)應(yīng)用。因此我們針對高性能鋰硫電池應(yīng)用開發(fā)了一種簡便，可持續(xù)且具有成本效益的策略，用自生物質(zhì)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(diǎn)并提高了吸附性能。
鋰硫電池內(nèi)活性炭的制備過程
首先，除去生物質(zhì)的污垢和表面雜質(zhì)，用清水徹底清洗活性炭原材料，然后用蒸餾水反復(fù)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(jìn)行預(yù)碳化，將干燥的生物質(zhì)在氮?dú)夥障碌恼婵展苁綘t中在500°C的溫度下熱解2小時，以去除少量有機(jī)分子。隨后，為了通過化學(xué)活化提高比表面積，將預(yù)碳酸化的生物質(zhì)以1：4的重量比浸入作為化學(xué)活化劑的水溶液中，然后充分?jǐn)嚢?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(fù)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(biāo)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(chǎn)品被標(biāo)記為無孔活性炭。接著使用這兩種活性炭升級成加硫復(fù)合材料，將升華后的硫(純度>99.95%)和相應(yīng)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(fù)合材料。
圖1：活性炭摻硫復(fù)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(xué)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(huán)的循環(huán)伏安圖(CV)曲線上在0.05毫伏·秒的掃描速率的電位窗口進(jìn)行(圖2A)。在第一循環(huán)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(huán)幾乎重疊，這表明循環(huán)穩(wěn)定性極佳，容量保持率相對較高?；钚蕴康暮汶娏鞒潆?放電曲線和循環(huán)穩(wěn)定性的測試中，如在圖中所描述2B、C?；钚蕴侩姌O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(huán)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(xiàn)出1260、1050、806、513、290 mAh·g -1的可逆放電容量。此外，當(dāng)電流密度達(dá)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(xiàn)出中等的鋰硫電池電化學(xué)性能，顯示出高性能鋰硫電池的潛力。
圖2：活性炭摻硫電極的CV曲線。
在活性炭用于鋰硫電池的應(yīng)用中，我們成功地制備了源自生物質(zhì)為原料的多孔活性炭，然后組裝成高性能鋰硫電池。將如此得到的活性炭的樣品具有大的比表面積和孔體積，這是一個良好的硫載體。當(dāng)作為鋰硫電池陰極使用的，活性炭載硫陰極具有良好的首次放電容量，速率能力好和擁有優(yōu)異的循環(huán)性能。
活性炭陰極的鋰硫電池電化學(xué)性能的上述提高歸因于其活性炭的多孔結(jié)構(gòu)特性和良好的導(dǎo)電性。超高的比表面積和大的孔容賦予硫在活性炭內(nèi)導(dǎo)電骨架中的良好分散性，從而充分利用了硫，從而實現(xiàn)了出色的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，活性炭載體的良好電導(dǎo)率對嵌入在活性炭的多孔結(jié)構(gòu)中的高分散硫有利于硫電極的作用發(fā)揮。
本文作者：董帝豪
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