用于镁硫电池的原位生长NiS的泡沫镍正极集流体

doi:10.7503/cjcu20200693

摘要/Abstract

摘要：

采用原位生长NiS的泡沫镍NiS@Ni(NNF)和铜箔分别作为硫@微孔碳(S@MC)正极材料的集流体, 0.4 mol/L(PhMgCl)₂-AlCl₃+1.0 mol/L LiCl “二代镁锂混合”作为电解液, 测试了镁硫电池恒电流和不同倍率下的充放电性能, 分析了2种不同的集流体在涂覆相同正极材料下对镁硫电池性能影响的原因. 研究发现，采用铜箔集流体的镁硫电池循环后正极极片上观察到明显的裂缝, 镁负极表面有分布不均匀的附着物, 硫含量略高. 采用NNF为集流体时, 由于泡沫镍具有缓冲硫正极体积变化的孔道结构, 正极极片能基本保持原本的形貌; 特别是在NNF上原位生长的NiS可电催化加速多硫化物中间体的转化, 减少多硫化物的生成并减缓其穿梭, 不干扰镁负极上发生的电化学反应, 使镁负极极片表面更为均匀, 明显改善了镁硫电池的循环稳定性和倍率性能.

关键词: 镁硫电池, 集流体, 泡沫镍, 硫化镍, 电解液

Abstract:

Nickel foam in situ grown NiS and Cu foil were respectively used as the cathode current collectors of magnesium-sulfur（Mg-S） batteries with S@MC cathode and（PhMgCl）₂-AlCl₃+LiCl/THF hybrid electrolyte. The constant-current discharge-charge cycling and rate performances of the Mg-S batteries were compared and the reason of different performance was analyzed. When using copper foil collector， the cracks were observed on the cathode and obvious uneven distribution with slightly higher sulfur content on magnesium anode. In the case of NNF， the morphology of the cathode can be basically maintained because the pore structure of nickel foam buffers the volume changes of sulfur active material. Importantly， NiS in situ growing on NNF can accele-rate the conversion of polysulfide intermediates， reduce the formation of polysulfides and suppress the shuttle， and hardly interfere the electrochemical reaction on the magnesium anode， resulting in more uniform magnesium surface. As a result， the Mg-S battery with NNF cathode current collector exhibits significantly improved cycle stability and rate performance.

Key words: Magnesium-sulfur battery, Current collector, Ni foam, NiS, Electrolyte

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 XRD patterns of Ni foam, NNF, S@MC/NNF cathode(A) and S powder, MC powder, S@MC composite powder and S@MC/NNF cathode(B)

Fig.2 SEM images of nickel foam(A, D), NNF(B, E) and S@MC/NNF(C, F)

Fig.3 Performance comparison of Cu foil, Ni foam, NNF in APC+Li electrolyte(A) Mg deposition and dissolution curves; (B) Mg deposition and dissolution coulombic efficiency; (C) linear sweep voltammetry(LSV) curves.

Fig.4 Discharge capacity and coulombic efficiency of S@MC/Cu foil and S@MC/NNF cathodes(A), discharge?charge curves of S@MC/Cu foil(B1) and S@MC/NNF(B2) during the cycles(10th, 20th, 30th, 100th) at the voltage limit of 0.2—1.8 V, discharge capacity and coulombic efficiency of S@MC/Cu foil cathode at 0.5—1.7 V and S@MC/NNF cathode at 0.2—1.8 V(C), discharge capacity of NNF, S@MC/NNF, S@MC/Ni foam at 0.2—1.8 V(D)The electrolyte is APC+Li, and the discharge?charge rate is 0.1C.

Fig.5 Discharge capacity of batteries at 0.2—1.8 V with S@MC/NNF, S@MC/Cu foil cathodes using APC+Li electrolyte at different rates(A) and typical discharge?charge curves at different rates(B1, B2)(B1) S@MC/Cu foil; (B2) S@MC/NNF.

Fig.6 SEM images of the cathodes after 20 cycles with different current collectors S@MC/Cu foil(A, B) and S@MC/NNF(C, D)

Fig.7 SEM images(A, B, D, E) and EDX results(C, F) of the anode after 20 cycles of different cathode current collectors S@MC/Cu foil(A—C) and S@MC/NNF(D—F)

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