【应用】喷雾干燥技术助力上海交大王久林教授团队合成用于锂硫电池的高体积容量的FeS/SPAN 复合材料

简介

硫化聚丙烯腈（SPAN）在电化学反应过程中，在碳酸酯电解质中表现出独特的固相转化机制，这避免了多硫化物的溶解和自放电。然而，有限的硫含量、不理想的氧化还原动力学和较低的体积能量密度限制了 SPAN 的发展。本文提出将FeS?纳米点和碳纳米管与 SPAN 复合，以在更高硫含量下实现更好的动态性能和更高的体积容量。所制备的 FeS?/SPAN 复合材料采用喷雾造粒设计，获得具有丰富离子/电子传输通道的分散且交织的二次颗粒，这确保了更稳定的正极界面并表现出优异的倍率性能。

实验

上海交通大学王久林、Lu Huichao 等人提出将 FeS? 纳米点和碳纳米管与SPAN复合，以在更高硫含量下实现更好的动态性能和更高的体积容量。所制备的 FeS?/SPAN 复合材料采用喷雾干燥造粒设计（图2），获得具有丰富离子/电子传输通道的分散且交织的二次颗粒，这确保了更稳定的正极界面并表现出优异的倍率性能。结果表明 FeS?/SPAN 复合正极在 0.5 C 下循环 140 次后呈现出 683.56 mAh g?1 的高比容量，对应 91.90% 的容量保持率，并在 0.2 C、6.1 mg·cm?2 的高面积质量负载下实现了 716.19 Ah·L?1 的体积容量。

图2a,b 显示了 SPAN 颗粒的形貌。SPAN 的一次颗粒粒径约为 350 nm，存在一定程度的团聚，导致形成不规则的块状二次颗粒。在 SPAN 中加入无机铁源和具有优异导电性的 CNT 后，混合材料均匀分散。CNT 表现出优异的导电性，并能为二次颗粒中的 SPAN 提供丰富的导电通路，使得 FeS?/SPAN 在 25 °C 下的电导率达到 4×10^?3 S cm^-1。喷雾造粒的结果如 图2c,d 所示。FeS?/SPAN 前驱体颗粒呈球形，粒径约为 4 。与 SPAN 颗粒相比，FeS?/SPAN 前驱体颗粒具有更大的粒径并有效避免了团聚。

本工作重点在于构建具有高硫含量、广泛导电网络和优异转化动力学的 FeS?/SPAN 复合正极（图3a），从而实现一个可行、成本效益高且高能量密度的 Li–S 电池系统。整个合成过程包括在初始喷雾造粒过程中将 CNT 和高导电性铁元素引入 SPAN 一次颗粒中，然后通过前驱体的一次性热处理和硫化制备 FeS?/SPAN。

结论

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