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Nano Letters：從棉花中大規(guī)模生產(chǎn)用于鋰硫電池的多壁碳納米管

化石燃料衍生的碳納米材料的制造過(guò)程具有高碳排放。從低成本和可持續(xù)的生物質(zhì)中提取碳材料是環(huán)保的。棉花是最豐富的生物質(zhì)材料之一，天然具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，這使得活性棉紡織品成為裝載活性材料的理想支架。

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Xiaodong Li等報(bào)道了一種通過(guò)汽-液-固(VLS)和固-液-固(SLS)的組合工藝從棉花中大規(guī)模生產(chǎn)多壁碳納米管(MWCNT)的低成本方法。

在這項(xiàng)研究中，棉紡織品被轉(zhuǎn)化為活性炭紡織品(ACTs)，同時(shí)棉紡織品被用作基材和碳源來(lái)合成Fe/Fe₃C填充的多壁納米管(Fe/Fe₃C-MWCNT)。原子模擬揭示了棉花如何分解成無(wú)定形碳，而無(wú)定形碳又成為MWCNT生長(zhǎng)的碳源。然后將Fe/Fe₃CMWCNT與ACT結(jié)合可用于通過(guò)硫滲透構(gòu)建Li-S電池正極，并作為功能性?shī)A層，研究發(fā)現(xiàn)Fe/Fe₃CMWCNT在循環(huán)過(guò)程中可有效緩沖硫體積變化和限制多硫化物溶解。

圖1 鋰硫電池電化學(xué)

因此，由Fe/Fe₃C-MWCNT@ACT/S正極和Fe/Fe₃C-MWCNT@ACT夾層構(gòu)建的高性能Li-S電池，具有超高比容量（初始放電容量為877 mAh g^-1，在1 C的高電流密度下循環(huán)122次后，該值增加到948 mAh g^-1）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（超過(guò)1000次循環(huán)）、極低的容量衰減率（每循環(huán)0.0496%）和令人印象深刻的倍率能力（電流密度從0.1到1.5C）。這種綠色、可持續(xù)和低成本的棉花衍生 Fe/Fe₃C-MWCNT在儲(chǔ)能應(yīng)用方面具有重要的前景。

圖2 Fe/Fe₃C-MWCNT@ACT/S正極和Fe/Fe₃C-MWCNT@ACT夾層的研究

Cotton-Derived Fe/Fe3C-Encapsulated Carbon Nanotubes for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries. Nano Letters 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04380

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