电极结构优化：提升硫氧化还原动力学的策略

来自 实验室仪器网

最近的一项研究表明，阴极微观结构显着影响锂硫电池中的硫氧化还原动力学。研究人员利用喷雾干燥方法制造硫碳复合材料，表明颗粒形态和尺寸直接影响硫负载和贫电解质条件下的电化学性能。

这些发现强调了优化下一代储能技术阴极架构以提高电池效率的重要性。

锂硫电池被认为是传统锂离子（Li-ion）电池的有前途的替代品，因为它们的理论能量密度超过500Whkg-1.这一优势源于硫的高比容量（1,672mAhg-1）和锂（3,862mAhg-1），再加上硫含量丰富且成本低。

然而，商业化受到诸如循环寿命差和实际条件下性能下降等挑战的限制。关键问题包括多硫化锂（LiPS）溶解、穿梭效应、电极不稳定和硫利用不均匀，所有这些都会破坏效率和使用寿命。因此，优化阴极微观结构对于改善氧化还原动力学和整体电池性能至关重要。

研究人员通过在颗粒水平定制硫碳复合材料来优化阴极微观结构以解决性能限制。使用喷雾干燥，他们生产出硫分布均匀且尺寸范围为3至8μm的球形ketjenblack/硫（SD-KB/S）颗粒。随后的热处理促进了硫渗入碳框架，将其稳定在β相中，同时防止表面积累。

与遭受硫团聚的传统KB/硫复合材料（C-KB/S）相比，SD-KB/S表现出更好的孔隙填充、更少的开裂、增强的机械稳定性和更好的循环可靠性。扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、氮吸附-脱附等温线（BET分析）和导电原子力显微镜（AFM）等综合技术证实了结构改进。SD-KB/S复合材料实现了0.569gcm的振实密度-3，可实现更密集的电极填充和增强的导电性。

值得注意的是，这种喷雾干燥工艺与催化剂集成兼容，如Co9S8用于概念验证的催化剂，为未来的多功能电极设计提供多功能平台。

电化学评估，包括恒电流循环、循环伏安法（CV）、恒电流间歇滴定技术（GITT）和电化学阻抗谱（EIS），表明SD-KB/S在贫瘁条件下降低了欧姆、活化和浓度过电位，从而提高了硫的利用率和稳定性。使用硫化钴（Co9S8）催化剂加速硫氧化还原动力学，与催化增强剂表现出优异的相容性。

硫负载量为4mgcm时-2电解质与硫（E/S）比率为6，SD-KB/S电池保留了768mAhg-1循环100次后，库仑效率为97.1%。相比之下，传统的C-KB/S电池在仅90次循环后就出现了快速容量衰减和软短路，库仑效率降至≈20%。速率能力也得到了显著提高，SD-KB/S可提供690和663mAhg-1分别在C/4和C/3时，与低于200mAhg相比-1在C-KB/S的软包电池（约24cm²）中进一步验证了可扩展性，达到796mAhg-1在E/S=5且负正对正（N/P）=6下循环40次后，电解液容量比（E/C）低至4.6μLmAh-1。

通过SEM进行的结构分析表明，由于球形形态和改进的粘合剂相互作用，SD-KB/S电极的开裂最小。此外，BET分析表明孔隙填充更有效，而振实密度几乎翻了一番，达到0.569gcm-3.

流变学研究还表明，SD-KB/S浆料表现出更好的粘合剂-颗粒相互作用和更低的粘度，有助于提高电极铸造质量和均匀性。

GITT和EIS分析表明，SD-KB/S有效降低了活化过电位（η做），将主要限制转向浓度过电位（ηCON系列）与扩散相关联。这种转变强调，虽然通过微结构控制减轻了活化障碍，但离子传输和电极曲折出现了新的限制，必须解决这些限制才能进一步获得收益。

原位XRD证实SD-KB/S中析出均匀的硫，表明Li更均匀2与C-KB/S相比，S沉积和更好的可逆性。总体而言，阴极微观结构优化提高了硫利用率，抑制了多硫化物穿梭，提高了库仑效率，并延长了循环寿命，突出了其在推进锂硫电池技术方面的潜力。

此外，随着系统在多个周期中老化，保持均匀的Li2S生长对于最大限度地减少激活过电位和维持性能至关重要。

电池材料和设计的实际应用

这项研究对锂硫电池的商业化具有重要意义。它表明，主要通过颗粒形态和尺寸控制来优化阴极微观结构，在增强硫氧化还原动力学和机械稳定性方面起着关键作用。喷雾干燥合成能够生产出具有更高密度和更好电解质润湿性的硫碳复合材料，这对于高能量密度和高效硫利用非常重要。

该研究强调将催化剂开发与优化的电极结构相结合，以最大限度地提高协同效应。结构策略（例如降低电极弯曲度）对于减少浓度极化至关重要，尤其是在激活屏障最小化的情况下。该方法与催化剂的相容性允许与功能性粘合剂和隔膜涂层进一步整合，以抑制多硫化物穿梭并提高氧化还原稳定性。

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