Integrated graphene-sulfur cathode and separator with plasma enhancement for Li-S batteries

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作者
Yu-Yun Hsieh,Lu Zhang,Derek DeArmond,Sathya Narayan Kanakaraj,Paa Kwasi Adusei,Noe T. Alvarez,Yanbo Fang,Jeremy Daum,Vesselin Shanov
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:139: 1093-1103 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2018.08.025
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) battery has been extensively studied due to its high theoretical energy density. Carbon materials have been developed as conductive scaffolds to improve the electrical conductivity of sulfur, and as a coating layer of the separator to restrain the shuttling effect of polysulfide. However, previous designs of the Li-S battery lack a good adhesion between the cathode and the separator, thus motivating further research on design and materials selection to achieve the optimal battery performance. Herein, the free-standing oxygen plasma functionalized three-dimensional graphene-sulfur (O3DG-S)/polypropylene (OPP) separator composite introduces for the first-time, tri-functional structure (TFS) in a Li-S battery: a current collector, cathode material and a part of the separator. The O3DG exhibited a moderate electrical conductivity, with very good mechanical integrity, making it a promising candidate as a flexible current collector, as well as a scaffold for sulfur. The unique surface morphology of O3DG-S treated by oxygen plasma functionalization for promoting a seamless contact with commercial PP separator for a "Janus type" multifunctional separator structure. The TFS showed a capacity of ∼1400 mAh g−1 at 0.1 C with a sulfur loading of ∼70 wt% and a high cyclic performance of Li-S battery.
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