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Regulated Electronic and Ionic Conductive Framework for High Energy Density Lithium–Sulfur Batteries

化学 多硫化物 电解质 阴极 锂硫电池 电池(电) 硫黄 储能 化学工程 有机化学 电极 量子力学 物理 工程类 物理化学 功率(物理)
作者
Xueting Feng,Xiaomeng Ren,Huihui Tian,Mingwei Cui,G. Lu,Jin Zhang,Xin Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (33): 30042-30049 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07454
摘要

Achieving high energy density in lithium-sulfur (Li-S) batteries necessitates thick cathodes with high sulfur loadings and a lean electrolyte. However, these configurations introduce critical challenges, including low conductivity, polysulfide shuttling, volume expansion, and mechanical instability, which significantly impede battery performance. In this study, we present a regulated electronic and ionic conductive framework that integrates carbon nanotubes (CNTs) and sulfur onto the surface of air plasma-treated aramid fibers (APAF) in a layer-by-layer fashion (denoted as CNT/S/APAF). This composite framework is then incorporated into a CNT network to form free-standing sulfur cathodes for high energy density Li-S batteries. The resulting structure promotes efficient electron transport, improves electrolyte wettability, suppresses polysulfide diffusion, and mitigates volume expansion. These synergistic effects lead to superior sulfur utilization and cycling stability. The Li-S cells with CNT/S/APAF cathodes exhibit an impressive initial specific capacity of 1437.6 mAh g-1 and areal capacity of 11.3 mAh cm-2, with a sulfur loading of 7.83 mg cm-2 and an electrolyte-to-sulfur (E/S) ratio of 5 μL mg-1. Furthermore, they achieve a high energy density of 468.6 Wh kg-1 and maintain excellent cycling stability, retaining a capacity of 6.5 mAh cm-2 after 100 cycles. This scalable approach provides a practical, high-performance solution for next-generation batteries.
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