Porous carbon-based composites for lithium-sulfur batteries

Aanzienlijke vooruitgang geboekt rond lithium-zwavelbatterijen

Een lithium-zwavelbatterij (Li-S-batterij) kan met relatief weinig massa, veel energie opslaan. In zijn proefschrift ontwikkelde Yinyu Xiang verschillende poreuze koolstoffen en hun composieten, en geconfigureerd hij ze in Li-S-batterijen. Er zijn aanzienlijke vooruitgangen geboekt, waaronder optimalisatie van zwavel-/koolstofkathoden, configuratie van tussenlagen van koolstofnanovezels (CNF's) en stabilisatie van Li-metaalanodes, om uitdagingen omtrent Li-S-cellen aan te pakken en de prestaties te verbeteren. 

In eerste instantie werkte Xiang aan het afstemmen van de aspectverhouding van geordende mesoporeuze, op koolstof gebaseerde zwavelgastheer, en bestudeerde hij het aspectverhoudingseffect op elektrochemische prestaties van S@OMCs-kathodes via systematische elektrochemische metingen en karakteriseringen. Daarnaast onderzocht hij de evolutie van zwavelsoorten in OMC's bij verschillende lozingstoestanden. Om de zwavelgastheer te voorzien van chemisorptie ten opzichte van polysulfiden, introduceerde Xiang vervolgens kobalt/koolstofbollen in CNT's. De hiërarchische poreuze raamwerken met een groot poriënvolume en een hoog specifiek oppervlak verlichtten volume-uitwisseling en beperkten fysiek de polysulfiden. De gedeeltelijk achtergebleven kobaltnanodeeltjes waren gunstig voor de chemische adsorptie en omzetting van polysulfiden. 

Verder stemde Xiang de kristalliniteiten af van de TiN-coating op in koper ingebedde CNF's, en gebruikte hij de nanovezels als tussenlagen. Vergeleken met hoogkristallijn TiN versterkte laagkristallijn TiN niet alleen de chemische adsorptie aan polysulfiden, maar vergemakkelijkte het ook de redoxomzettingen, wat bijdroeg aan indrukwekkende hoge prestaties en opmerkelijke cyclische stabiliteit. Ten slotte ontwikkelde Xiang met stikstof gedoteerde CNF's met Cu/Cu₃P-decoraties, om dendrietvrije Li-plating/stripping te bereiken. De lithiofiele, met stikstof gedoteerde koolstofplaatsen en de ingebedde functionele Cu/Cu₃P-heterostructuur zorgden voor een ultralaag overpotentiaal voor kiemvorming en kleine polarisatie. Cu/Cu₃P-N-CNFs-elektroden vertoonden dus een hoge Coulomb-efficiëntie (~ 94%) na 500 cycli plateren/strippen en overeenkomstige Li@Cu/Cu₃P-N-CNF's presteerden beter in symmetrische cellen en Li-S volledige cellen.

Yinyu Xiang voerde zijn promotieonderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG), afdeling Advanced Production Engineering, met financiering uit van het Chinese Scholarship Council. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/566b4448-977f-4377-a4b7-266a56601c3f