Co-Fe Phosphide@Graphitic Carbon Nitride Nanosheet Modified Separator for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries

Abstract

Lithium-sulfur (Li-S) battery is a promising next-generation energy storage device due to its high theoretical capacity (1,675 mAh g-1), environment-friendliness, low cost, and natural abundance. However, the shuttle effect and sluggish kinetics of lithium polysulfides (LiPs) hinder its commercialization. Herein, I report the synthesis of cobalt iron phosphide@graphitic carbon nitride nanosheet (CFP@CN) modified separator for Li-S batteries. The Li-S cell with CFP@CN separator (CFP@CN-PP) exhibits a high specific capacity of 786.4 mAh g-1 at 1C. Furthermore, the Li-S cell with CFP@CN-PP can still retain a discharge capacity of 528.3 mAh g-1 and a capacity decay rate of only 0.084% per cycle after 650 cycles. And, the Li-S cell with CFP@CN-PP maintains high coulombic efficiency above 99% after 650 cycles. These results indicate that the CFP@CN with a large specific surface can alleviate the shuttle effect by strong chemical interaction with lithium polysulfides. Furthermore, thanks to high electrical conductivity of CFP@CN, the utilization of sulfur and redox kinetics can be improved. This study offers useful insights into designing materials for modified separator of lithium-sulfur battery.

리튬-황 배터리는 높은 이론 용량, 친환경성, 저비용 및 자연상의 풍부함으로 인해 주목받고 있는 차세대 에너지 저장장치이다. 그러나 리튬 폴리설파이드의 셔틀효과 및 느린 산화, 환원반응으로 인해 리튬-황 배터리의 상용화에 어려움이 있다. 이 연구에서, 코발트-철 인화물 및 흑연 질화 탄소 나노시트를 정전기적 인력을 통해 합성했다. 이를 리튬-황 배터리의 분리막 표면 개질 물질로써 사용하여 적용해본 결과 전류 밀도 1 C 에서 786.4 mAh g-1의 방전용량을 보였다. 또한 전류 밀도를 1 C 로 인가하여 650회의 충•방전을 진행했을 때 여전히 528.3 mAh g-1의 방전용량과 충•방전 1회 당 0.084 %의 용량 감소율을 보였다. 이러한 결과는 큰 비표면적을 갖는 코발트-철 인화물 및 흑연 질화 탄소 나노 시트가 리튬 폴리설파이드와의 강력한 화학적 상호작용에 의해 셔틀 효과를 완화할 수 있음을 나타낸다. 또한 코발트-철 인화물 및 흑연 질화 탄소 나노 시트의 높은 전기전도도 덕분에 반응에 참여하는 황의 사용량을 증가시키고 산화, 환원 반응을 향상시킬 수 있었다. 본 연구는 리튬-황 배터리의 분리막 표면 개질을 위한 물질을 설계하는 데 유용한 정보를 제공한다.