Mesoporous carbon nanotube aerogel-sulfur cathodes: A strategy to achieve ultrahigh areal capacity for lithium-sulfur batteries via capillary action

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作者
Zhenhan Fang,Yufeng Luo,Hengcai Wu,Lingjia Yan,Fei Zhao,Qunqing Li,Shoushan Fan,Jiaping Wang
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:166: 183-192 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2020.05.047
摘要

A strategy to produce sulfur (S) cathodes with ultrahigh areal capacity for lithium-sulfur (Li–S) batteries is proposed. Porous carbon nanotube (CNT) [email protected]2S8 cathodes are obtained by dropping Li2S8 solution into the CNT aerogels that are prepared through a freeze-drying method. The three-dimensional (3D) porous structure of the CNT aerogel provides a complete electron transport network and rapid ion transport channels. Moreover, the rich mesoporous structure has an extreme capillary action on the electrolyte. Numerical simulation shows that in a surprisingly short time (2 μs), the electrolyte can be absorbed into the mesopores by capillary action and reach a stable state, limiting the “shuttle effect” of polysulfides. Based on these unique characteristics, the CNT [email protected]2S8 cathode exhibits excellent electrochemical performance. With an extremely high areal S loading of 20 mg cm−2, the cathode shows an ultrahigh areal specific capacity of 22.9 mAh cm−2. For the pouch cell with an areal S loading of 10 mg cm−2 and a low electrolyte/sulfur (E/S) ratio of 7.8 μL mg−1, the areal specific capacity reaches a high value of 10.4 mAh cm−2.
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