High‐Performance Lithium‐Sulfur Batteries with a Self‐Supported, 3D Li2S‐Doped Graphene Aerogel Cathodes

材料科学 石墨烯 阴极 阳极 多硫化物 气凝胶 化学工程 锂(药物) 涂层 兴奋剂 容量损失 电解质 纳米技术 光电子学 电极 化学 内分泌学 工程类 医学 物理化学
作者
Guangmin Zhou,Eunsu Paek,Gyeong S. Hwang,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:6 (2) 被引量:192
标识
DOI:10.1002/aenm.201501355
摘要

Lithium‐sulfur (Li‐S) batteries are being considered as the next‐generation high‐energy‐storage system due to their high theoretical energy density. However, the use of a lithium‐metal anode poses serious safety concerns due to lithium dendrite formation, which causes short‐circuiting, and possible explosions of the cell. One feasible way to address this issue is to pair a fully lithiated lithium sulfide (Li 2 S) cathode with lithium metal‐free anodes. However, bulk Li 2 S particles face the challenges of having a large activation barrier during the initial charge, low active‐material utilization, poor electrical conductivity, and fast capacity fade, preventing their practical utility. Here, the development of a self‐supported, high capacity, long‐life cathode material is presented for Li‐S batteries by coating Li 2 S onto doped graphene aerogels via a simple liquid infiltration–evaporation coating method. The resultant cathodes are able to lower the initial charge voltage barrier and attain a high specific capacity, good rate capability, and excellent cycling stability. The improved performance can be attributed to the (i) cross‐linked, porous graphene network enabling fast electron/ion transfer, (ii) coated Li 2 S on graphene with high utilization and a reduced energy barrier, and (iii) doped heteroatoms with a strong binding affinity toward Li 2 S/lithium polysulfides with reduced polysulfide dissolution based on first‐principles calculations.

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