高性能リチウム硫黄電池用のポリアニリン被覆活性炭エアロゲル/硫黄複合材料

背景

携帯型電子機器、電気自動車（EV）、スマートグリッドシステムの開発により、高エネルギー密度、長寿命、低コストの二次電池が求められ続けています。リチウム硫黄（Li-S）電池は、理論容量が高い（1675 mAh g ^-1 ）ため、次世代リチウム二次電池の最も有望な候補の1つになっています。 ）および理論エネルギー密度（2600 Wh kg ^-1 、2800 Wh l ^-1 、 それぞれ）。さらに、実用的な観点から、元素硫黄は、他の従来の遷移金属酸化物カソード材料と比較して、自然に豊富で、低コストで、毒性がなく、環境に優しいです[1,2,3]。これらの利点にもかかわらず、Li-S電池の実用化は、活物質の利用率が低く、循環性が低いという重大な問題のために妨げられています。（1）硫黄の電子伝導性とイオン伝導性が低い（5×10 ^{- 30} S cm ^-1 ）およびその排出生成物Li ₂ S / Li ₂ S ₂ [4]; （2）電解質への中間ポリサルファイドの重度の溶解、いわゆるシャトル効果の形成[5]; （3）セルの放電中の大きな体積膨張（〜76％）[6]。近年、さまざまな無機/有機導電性基板の使用[7,8,9]、セパレータ/リチウムアノードの変更[10、11]、バインダーの最適化[10、11]など、硫黄ベースのカソードの性能を向上させるために多大な努力が払われています。 12] /電解質[13]は、カソードの導電性を高め、多硫化物の拡散を軽減し、体積膨張に対応します。

多孔質炭素材料は、さまざまな導電性基板の中で、表面積が大きく、導電性が高く、電気化学的安定性に優れていることから注目されています。炭素/硫黄カソードの最近の進歩により、硫黄のホスト材料として機能する多孔質炭素が上記の欠点を効果的に克服できることが明らかになり、サイクル安定性の向上が実証されました[14、15、16]。カーボンエアロゲル（CA）は適度な表面積を持ち、3D相互接続された階層型多孔質ナノネットワークは硫黄ホスト材料の理想的な候補と見なされます。陰ら。豊富な狭いミクロポアを備えたCAは、硫黄含浸用のイモビライザーホストとして利用でき、S / CAハイブリッドカソードに適した可逆容量と優れたサイクル安定性が得られると報告されています[17]。 Fang etal。原材料の比率が異なる大気圧乾燥によって多種多様なCAを合成し、それらのLi-S電池の性能について議論しました[18]。ただし、上記で使用したCAはすべて、比表面積が比較的小さい（700 m ² 未満）。 g ^-1 ）および小さな細孔容積（1.1 cm ³ 未満 g ^-1 ）、これは硫黄の負荷を制限し、炭素/硫黄複合体の容量を損ないました。

電気化学的性能を改善するために硫黄負荷を増加させるために、カーボンエアロゲルの高い細孔容積と比表面積が必要です。現在、化学的活性化は、炭素材料の細孔容積と表面積を増やすための重要な方法です。しかしながら、活性化剤の消費を減らし、環境汚染を減らすために、低い活性化比の下で高い表面積と大きな細孔容積を得るには、依然として課題があります。さらに、カーボンエアロゲルは通常、硫黄を隔離するのに不利な比較的大きなメソ細孔で構成されています。したがって、高硫黄負荷条件では、硫黄溶解の問題を解決することがより重要です。最近、いくつかの研究により、炭素/硫黄複合材料の容量とサイクル安定性は、グラフェン[19]、還元型酸化グラフェン[20]などの導電性コーティング、およびポリアニリン（PANi）[PANi）などの導電性ポリマーを使用することでさらに改善できることが示されました。 21、22]、ポリピロール（PPy）[23]、およびポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）-ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT：PSS）[24]。炭素/硫黄複合材料の外面の導電性シェルは、多硫化物種を保持およびトラップして活物質の損失を最小限に抑えるだけでなく、イオンおよび電子輸送の経路長を短くし、複合材料の導電性をさらに改善して、より優れたものにします。反応速度論と強化されたレート性能。一般的な導電性ポリマーとして、ポリアニリンは、スーパーキャパシター[25]、化学センサー[26]、およびリチウムイオン/燃料電池[27、28]の電気化学的特性を改善するために、導電性マトリックスまたはソフト修飾フレームワークとして広く使用されてきました。容易な合成プロセス、スケールアップ、自己修復、比較的高い電気伝導率、固有の十分な窒素官能基、および環境安定性による炭素表面。

この作業では、硫黄含浸用のイモビライザーホストとして活性炭エアロゲル（ACA-500）を採用します。これは、有機エアロゲル（RC-500）を1：1の低比率でKOH活性化することによって調製されます（スキーム1を参照）。 ）。 ACA-500は、高い表面積（1765 m ² ）を備えています。 g ^-1 ）、大きな細孔容積（2.04 cm ³ g ^-1 ）、および階層的多孔質ナノネットワーク、およびACA-500-S複合材料は比較的高い硫黄含有量（63％）を含んでいました。さらに、ポリアニリンは、活性硫黄および多硫化物種が電解質に溶解するのを防ぐために、その場での化学酸化重合によってACA-500-S複合材料の表面をコーティングするために使用されます。結果は、ポリアニリンコーティング層が存在するため、ACA-500-S @ PANi複合材料は、コーティングされていないACA-500-Sおよび文献に示されている他のコーティング複合材料と比較してはるかに優れた初期容量とサイクル安定性を示すことを示しています。

ACA-500-S @PANiの準備の概略図

メソッド/実験

サンプル準備

ＲＦ有機エアロゲルおよび活性炭エアロゲルは、以前に記載された方法［２９］に従って調製された。詳細な手順は次のとおりです。レゾルシノール（R）、ホルムアルデヒド（F）、脱イオン水（W）、臭化セチルトリメチルアンモニウム（C）など、事前に計算された製剤（R：Cのモル比500：1）を含むすべての反応物をガラスバイアル（20 ml）を使用し、マグネチックスターラーで室温で混合します。次に、バイアルを密封し、ウォーターバス（85°C）に入れて5日間硬化させました。硬化後、ゲルを室温で24時間、空気中で24時間、50°Cで24時間、100°Cで3時間、大気圧で順番に直接乾燥させました。続いて、得られたRF有機エアロゲルを500°Cで3時間、5°C min ^-1 の加熱速度でアニーリングしました。 N ₂ の下 フロー（400 ml min ^-1 ）、RC-500-S500を入手します。活性炭エアロゲル（ACA-500）は、次の手順に従って調製しました[30]。約2 gのRC-500-S500を水酸化カリウム（KOH）と質量比1：1でガラスビーカー内で混合し、10 KOHを溶解するために約15mlのエタノールを加えました。混合物を110°Cで乾燥させた後、管状炉で900°Cで3時間、5°C分 ^-1 で炭化しました。 N ₂ の下 流れる（400 ml min ^-1 ）。室温まで冷却した後、得られた材料を取り出し、10％HCl溶液および蒸留水で洗浄した。最後に、材料を110°Cで6時間乾燥させました。得られた製品はACA-500と呼ばれていました。

ACA-500-S複合材料は、ACA-500と元素硫黄の混合物（質量比=3：7）を加熱融解することによって調製されました。 ACA-500-S @ PANi複合材料は、文献[31]に記載されているように、ACA-500-S複合材料の表面で凍結温度でのinsitu化学酸化重合によって調製されました。通常、ACA-500-Sコンポジット（0.2 g）は、超音波によって蒸留水/アセトン（27 ml / 3 ml）混合溶液に分散されました。次に、アニリンモノマー（0.28 g）と1 M HCl溶液（15 ml）を加え、混合物を0°Cで15分間激しく撹拌しました。続いて、（NH ₄ ） ₂ S ₂ O ₈ （0.123gを30mlの蒸留水に溶解）を上記の反応物溶液に滴下した。撹拌しながら6時間絶えず反応させた後、沈殿物をろ過し、ろ液が透明になるまで蒸留水とエタノールで洗浄しました。次に、生成物を50℃の真空オーブンで一晩乾燥させて、ACA-500-S @PANiを得た。調製されたままのACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の硫黄含有量は、熱重量分析（TGA）によって計算されました。同様に、ACA-500と硫黄の質量比が1：3および2：3の場合に硫黄含有量が70および54％のACA-500-S複合材料（ACA-500-S-70％およびACA-500-Sと表記）を作成しました。 -それぞれ54％）。硫黄含有量が45、55、および61％のACA-500-S @ PANi複合材料は、ACA-500-S-54％およびACA-500-S-70％から、C / S複合材料に対するアニリンモノマーの質量比として調製されました。それぞれ0.05：0.1（〜0.5）、0.05：0.1（〜0.5）、0.025：0.1（〜0.25）（ACA-500-S @ PANi-45％、ACA-500-S @ PANi-55％と表記） 、およびACA-500-S @ PANi-61％、それぞれ）。

サンプルの特性評価

サンプルの形態と微細構造は、電界放出型走査電子顕微鏡法（FESEM、JSM-6330F）と透過型電子顕微鏡法（TEM、Tecnai G2 Spirit）を使用して観察されました。 FTIRスペクトルは、Equinox 555（Bruker、ドイツ）を使用して400〜4000 cm ^-1 で記録されました。 2cm未満 ^-1 解決。気孔率は、77KでMicromeriticsASAP 2020機器を使用して決定されました。表面積の測定値は、マルチポイントBrunauer-Emmett-Teller（BET）理論に従って分析されました。細孔径分布は、元の密度汎関数理論（DFT）に基づいて計算されました。 TGA（Netzsch TG-209）を実行して、複合材料の硫黄含有量を測定しました。 X線回折（XRD）パターンは、CuKα放射線（40 kV、26 mA）を使用してD-MAX 2200VPC回折計で記録されました。ラマンスペクトルは、周囲条件下で633 nmのレーザー励起を備えたレーザーマイクロラマン分光計（Renishaw inVia）を使用して測定および収集されました。 X線光電子分光法（XPS）の測定は、ESCALab250装置で実行されました。

電気化学的測定

カソードスラリーは、80 wt％ACA-500-S @ PANiまたはACA-500-Sコンポジット、10 wt％Super P、および10 wt％ポリフッ化ビニリデンを N で混合することによって製造されました。 -メチルピロリドン（NMP）溶媒。次に、スラリーを一片のカーボンコーティングAl箔基板上に広げた。得られた電極膜を60℃で12時間乾燥し、直径12mmのディスクに打ち抜いた。 Li-Sセルは、炭素/硫黄カソード、市販のポリプロピレンセパレーター（Celgard 2400）、およびリチウムフォイルアノードを備えたCR2032コイン型セルで組み立てられ、アルゴンが充填されたグローブボックス内で水分と酸素の含有量が1.0ppm未満でした。使用した電解質は、1,2-ジメトキシエタン（DME）および1,3-ジオキソラン（DOL）（体積比=1：1）中のリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（1 M）の新たに調製した溶液で、LiNO <を含みます。 sub> 3 （1 wt％）添加剤。サイクリックボルタモグラム（CV）は、CHI660C電気化学ワークステーションで0.2 mV s ^-1 のスキャン速度で測定されました。 1.7〜2.8V。定電流充電/放電テストは、LAND CT2001Aバッテリーテストシステムを使用して、室温で1.7〜2.8Vの電位範囲で動作しました。特に、この作業のすべての特定の容量データは、硫黄の質量のみに基づいて計算されました。セルの電気化学インピーダンススペクトル（EIS）データは、Zahner IM6ex電気化学ワークステーションを使用して記録されました。このワークステーションは、摂動振幅5mVで100kHz〜10mHzの周波数範囲で実行されました。

結果と考察

FESEMとTEMを使用して、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @ PANiの形態を調査し、画像を図1に示します。図1aから、ACAであることがわかります。 -500は、約10〜30nmのナノ粒子を含む3次元の架橋カーボンネットワーク微細構造を示します。硫黄をカプセル化し、PANiをコーティングした後、ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANiは、ACA-500と同様の形態（図1b、c）を示します。 ACA-500-Sの表面には明らかな大きな凝集は見られず、熱融解プロセス中に硫黄がACA-500のナノポアに拡散したことを示しています。 ACA-500-S @ PANiの形態はACA-500-Sの形態とほぼ同じであり、PANiがACA-500-S基板の表面に均一に分布していることを意味します。これらの結果は、TEM画像でも確認できます（図1d–f）。炭素、硫黄、窒素、および酸素の対応する元素マッピングを組み合わせたACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の高解像度TEM画像（追加ファイル1：図S1およびS2）も、これらの複合材料の中で硫黄。彼らはまた、PANiコーティング層が炭素基板内の硫黄分布を変化させないことを確認しています。

a のSEM画像 ACA-500、 b ACA-500-S、および c ACA-500-S @ PANi; d のTEM画像 ACA-500、 e ACA-500-S、および f ACA-500-S @ PANi

ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANiコンポジットのFTIRスペクトルを図2に示します。これは、文献[32]で報告されている結果と完全に一致しています。 ACA-500-S @ PANiスペクトルでは、1576および1493 cm ^-1 に特徴的なピークがあります。 それぞれキノイド環とベンゼン環の振動に起因します。 3433 cm ^-1 の広いピーク は、PANiからの2級アミンN–H伸縮モードに割り当てられます。 1298、1134、796 cm ^-1 の他のバンド それぞれ、二級芳香族アミンのC–N伸縮、芳香族C–H面内曲げ、および面外曲げ振動に関連付けることができます。これらの結果は、ACA-500-S複合材料の表面へのポリアニリンのコーティングが成功したことを裏付けています。ここで、ソフトバッファー剤としてのPANiは、炭素と硫黄を橋渡しし、それらの密接な接触を強化し、電荷輸送距離を短縮することができ、ポリサルファイドのマイナスイオンをトラップし、体積膨張に対応できると考えられています。したがって、ACA-500-S @PANi複合材料を使用したLi-S電池の電気化学的性能の向上が期待できます。

ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料のFTIRスペクトル

ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料は、XRDとラマンによってさらに特徴づけられます（図3）。図3aは、純粋な硫黄、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @PANi複合材料のXRDパターンをそれぞれ示しています。明らかに、斜方晶系硫黄に関連する結晶ピークは、ACA-500-SまたはACA-500-S @ PANi複合材料のいずれにも観察されません。これは、硫黄が炭素マトリックスの細孔を取り込み、アモルファス状態として存在することを示しています。 24°を中心とする幅広い回折ピークがACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料のXRDパターンに現れ、アモルファス活性炭エアロゲルに起因します。 500 cm ^-1 未満では目に見える信号はありません ラマンスペクトル（図3b）に見られ、硫黄が均一に分散していることをさらに示しています。炭素材料の黒鉛化度については、Dバンド強度とGバンド強度の比率を計算します。 私 _D / 私 _G ACA-500-S（1.17）の方がACA-500（1.10）よりも高く、硫黄の浸透後にACA-500の乱れ度が高くなることを示唆しています[33]。

a XRDパターンと b 純硫黄、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @PANi複合材料のラマンスペクトル

XPSは、ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の硫黄と窒素の化学的状態を分析するために実行されます（追加ファイル1：図S3およびS4）。追加ファイル1のACA-500-SコンポジットのXPSスペクトルの調査：図S3aは、S 2p、S 1s、C 1s、およびO 1sに割り当てられた164.0、228.9、284.8、および532.6eVを中心とする4つのピークを示しています。それぞれ、S、C、およびO元素の存在を示します。追加ファイル1のC1s領域スペクトル：図S3bは、284.8 eVに1つのメインピークを示しており、C-C結合の存在とACA-500基板のアモルファス特性を示しています。 S 2pスペクトルは、S 2p _3/2 に対応する、164.0および165.2eVの2つの非対称ピークにフィッティングおよびデコンボリューションされています。 およびS2p _1/2 、それぞれ、S 2p _3/2 間の1.2eVの標準エネルギー分離で識別されます およびS2p _1/2 （163.6および164.8 eV）スピン軌道相互作用[34,35,36]。追加ファイル1のACA-500-S @ PANiのN1s領域スペクトル：図S4bは、399.8 eV（–NH–）と401.1 eV（–NH ⁺ ）の2つの成分ピークにデコンボリューションされます。 ）、ACA-500-S @PANiの表面にコーティングされたPANiのエメラルジン塩の状態を示唆している[37]。

ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の硫黄含有量は、熱重量分析から決定されます。図4は、N ₂ における純硫黄、PANi、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @PANiのTGA曲線を示しています。 フローは、純粋な硫黄が約350°Cで完全に燃焼し、この温度がACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料で430°Cに遅延することを示します。これは、ナノポーラス炭素材料の硫黄への閉じ込め効果を意味します。 ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の硫黄含有量は、それぞれ約63％および37.4％と計算されました。窒素吸脱着等温線を使用して、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @ PANi複合材料の細孔特性を調べます（図5、追加ファイル1：表S1）。図5aに示すように、ACA-500は、典型的なメソ細孔ヒステリシスループを伴うIUPAC分類でタイプIV等温線を示します[38]。低い相対圧力での非常に高い窒素吸着は、炭素フレームワーク内に途方もない微細孔が存在することを示しています。吸着曲線は徐々に上昇し、 P の近くでプラトーに達しません。 / P ₀ 1.0の、多数の間隔メソ細孔の存在を意味します。この結論は、DFT理論に基づく細孔径分布曲線によっても検証されます。 ACA-500の細孔径分布曲線は、ミクロ細孔が約1.3 nmに位置し、メソ細孔が2.6および27 nmに中心があることを示しています（図5b）。追加ファイル1：表S1に示されているように、ACA-500は1765 m ² の高い表面積を示します。 g ^-1 細孔容積は2.04cm ³ g ^-1 。 ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の比表面積と細孔容積は、明らかに31 m ² に減少しています。 g ^-1 および0.207cm ³ g ^-1 および26m ² g ^-1 および0.116cm ³ g ^-1 硫黄を浸透させ、PANiをコーティングした後。細孔径分布曲線は、ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANiの細孔が減少または消失することを示しており、硫黄がACA-500およびPANiのナノ細孔に組み込まれ、 ACA-500-S。

PANi、純硫黄、ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @PANi複合材料のTGA曲線

a N ₂ 吸脱着等温線と b ACA-500、ACA-500-S、およびACA-500-S @PANiの細孔径分布曲線

ACA-500-S @PANi複合材料の電気化学的性能を図1および2に示します。図６および７、ならびにＡＣＡ－５００－Ｓ複合材料のそれは、比較のために同時に与えられている。 0.2 mV s ^-1 でのACA-500-S @ PANiコンポジットの最初の4つのサイクリックボルタモグラム曲線 （図6a）、〜2.27および〜2.01 Vの2つの主な還元ピーク（vs. Li / Li ⁺ ）は、硫黄から長鎖多硫化物（Li ₂ ）への2段階の還元反応に対応する陰極スキャン中に観察されます。 S _x 、4 < x ≤8）そしてさらにLi ₂ S ₂ / Li ₂ S.〜2.34 Vでの酸化ピークは、Li ₂ の酸化に起因します。 S ₂ / Li ₂ Sから長いポリサルファイドまたは硫黄。図6bは、0.1C、1.7〜2.8VでのACA-500-S @ PANi複合材料の最初の3つの充電/放電プロファイルを示しています。放電曲線は、2つの典型的なプラトーを示しています。 CV測定結果と一致する放電プロセス。ほぼ重なり合う上部放電プラトーは、このプロセスでまれな活物質の損失と高い電気化学的安定性を示しました。下部放電プラトーは急激に減少しました。これは、この段階でのACA-500-S @ PANi複合材料の反応速度が遅く、多硫化物が部分的に溶解し、活物質が失われたことを示しています。図6cおよび追加ファイル1：図S5に示すように、ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料のレート性能は、各電流密度で10サイクルにわたって0.2から3Cまでの漸進的な電流レートを適用することによって評価されます。 。明らかに、ACA-500-S @ PANi電極は、1208、1022、933、616、および542 mAh g ^-1 の高い比容量を提供します。 それぞれ0.2、0.5、1、2、および3Cで。これらの容量値は、1082、893、790、272、および237 mAh g ^-1 の放電容量のみを提供するACA-500-S電極の値よりも優れています。 。電流密度が3Cから1Cと0.5Cに戻ると、元の容量はほぼ完全に回復します。 877 mAh g ^-1 の放電容量 1Cおよび982mAh g ^-1 50サイクル後にACA-500-S @ PANi電極で0.5Cが得られ、優れたレート性能と電極の高い安定性を示しています。図6dは、新しく準備したACA-500-SおよびACA-500-S @PANi電極の電気化学的インピーダンススペクトルを示しています。これら2つの電極のナイキスト線図は、電荷移動抵抗に対応する高周波数領域と中周波数領域の半円と、電極内のイオン拡散抵抗を反映する低周波数領域の傾斜線で構成されています。明らかに、ACA-500-S @ PANi複合材料は、ACA-500-Sよりも低い電荷移動抵抗を示します。これは、高導電性ポリアニリンコーティング層の導入に起因する可能性があり、効果的な電子輸送経路を提供します。

a 0.2 mV s ^-1 での最初の4つのサイクリックボルタモグラム曲線 および b ACA-500-S @PANiカソードの0.1Cでの最初の3つの充電/放電曲線。 c パフォーマンスと d を評価する ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANiカソードのEISスペクトル

1CでのACA-500-SおよびACA-500-S @ PANiカソードのサイクル性能

改善された電気化学的可逆性とサイクリング性能をさらに調査するために、ACA-500-SおよびACA-500-S @ PANi複合材料の長期サイクリングテストが1Cで実行されます（図7、追加ファイル1：図S6）。 ACA-500-S @ PANiコンポジットは、926 mAh g ^-1 の高い初期放電容量を提供します 615 mAh g ^-1 の可逆容量を維持します 700サイクル後、容量保持率は66.4％、減衰率は1サイクルあたり0.48‰。対照的に、ACA-500-Sは、最大916 mAh g ^-1 の初期放電容量を示します。 まだ493mAh g ^-1 を保持します 700サイクル以上、容量保持率は53.8％、減衰は1サイクルあたり0.66‰。サイクリング全体での2つの複合材料のクーロン効率は99％近くを維持します。さらに、ACA-500-Sと比較したACA-500-S @ PANiのリチウム硫黄電池の性能の向上が、低硫黄含有量ではなく、PANiコーティングに起因することを証明するために、カップルの電気化学的性能をさらに調べます。同様の硫黄含有量のACA-500-S @ PANi-55％およびACA-500-S-54％複合材料の割合（55対54％、追加ファイル1：図S7）。追加ファイル1：図S8a–cに示すように、ACA-500-S @ PANi-55％は、ACA-500-S-54％よりも優れたレートパフォーマンスを示し、1109、880、741、602、および447の可逆容量を提供します。 mAh g ^-1 それぞれ0.2、0.5、1、2、および3Cで、921、693、580、499、および402 mAh g ^-1 の値よりも大きい ACA-500-S-54％の場合、PANiコーティングの利点を確認します。 PANiコーティングの恩恵を受けて、ACA-500-S @ PANi複合材料は、硫黄含有量をさらに増やしたときに優れた安定性を示します。追加ファイル1：図S8dに示すように、ACA-500-S @ PANi-45％は、815 mAh g ^-1 の初期容量を提供します。 687 mAh g ^-1 の可逆容量を維持します 100サイクル後の1Cレートで、容量保持率は84.3％です。 ACA-500-S @ PANi-61％は、611 mAh g ^-1 を提供します 初期容量があり、416および394 mAh g ^-1 を維持します。 100サイクル後と120サイクル後の可逆容量の割合で、容量保持率はそれぞれ68.1％と64.5％です。 ACA-500-S @ PANi-45％およびACA-500-S @ PANi-61％のこのような優れたサイクル安定性は、以前の研究で報告された同様の硫黄含有量を持つ他の多くのPANiコーティング炭素/硫黄複合材料を上回っています（追加ファイル1 ：表S2）。

全体として、ACA-500-S @ PANi複合材料の電気化学的性能の向上は、マトリックス内の活性炭エアロゲルフレームワークと表面上のPANiコーティング層の両方からの優れた導電性に対する相乗効果に起因するはずです。高表面積と独自の3D相互接続階層多孔質構造を備えたACA-500フレームワークは、硫黄の効率的な導電性ネットワークと、炭素と硫黄の間のリンクとして機能するだけでなく、それらの密接な接触を強化する高導電性PANiコーティング層を提供します。イオンと電子の伝導経路を短縮するだけでなく、ポリサルファイド種の溶解を防ぎ、充電/放電プロセス中の体積変化に対応します。

結論

要約すると、ポリアニリンでコーティングされた活性炭エアロゲル/硫黄複合材料（ACA-500-S @ PANi）は、硫黄の熱処理から得られたACA-500-S複合材料の表面でのアニリンのinsitu化学酸化重合によって正常に調製されます。およびACA-500。表面積の大きいACA-500（1765 m ² g ^-1 ）および階層的多孔質ナノネットワーク構造は、有機エアロゲル（RC-500）からKOH活性化法によって合成されました。 ACA-500-S @ PANi複合材料は、ACA-500-S複合材料よりも優れた電気化学的性能を示します。 1208 mAh g ^-1 という高い可逆容量を示しています 0.2Cで、542 mAh g ^-1 を保持します 高速（3C）でも。さらに、926 mAh g ^-1 の初期放電容量を提供します 66.4％（615 mAh g ^-1 ）の優れた容量保持力を示します ）および1Cで700サイクル後の非常に低い容量減衰率（サイクルあたり0.48‰）。 ACA-500-S @ PANi複合材料の著しく改善された電気化学的性能は、その高表面積、独自の3D相互接続階層型多孔質カーボンネットワークフレームワーク、および高導電性PANiコーティング層に起因するはずです。 PANi層は、炭素と硫黄の間のリンクとして機能し、それらの密接な接触を強化するだけでなく、ポリサルファイドへの強力な物理的および化学的閉じ込めを提供し、活物質の損失を最小限に抑え、イオンと電子の輸送距離を短縮し、コンポジット。

略語

ACA-500：

活性炭エアロゲル

ACA-500-S：

活性炭エアロゲル/硫黄複合材

ACA-500-S @ PANi：

ポリアニリンでコーティングされた活性炭エアロゲル/硫黄複合材

CA：

カーボンエアロゲル

CV：

サイクリックボルタモグラム

FESEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

FTIR：

フーリエ変換赤外分光法

PANi：

ポリアニリン

RC-500：

有機エアロゲル

TEM：

透過型電子顕微鏡

TGA：

熱重量分析

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折