On the mechanistic role of nitrogen-doped carbon cathodes in lithium-sulfur batteries with low electrolyte weight portion

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Susanne Dörfler - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Patrick Strubel - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Tony Jaumann - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Erik Troschke - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1) (Autor:in)
  • Felix Hippauf - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Christian Kensy - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Alexander Schökel - , Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) (Autor:in)
  • Holger Althues - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Lars Giebeler - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Steffen Oswald - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Stefan Kaskel - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)

Abstract

The lithium-sulfur (Li–S) battery is a promising alternative to overcome capacity and specific energy limitations of common lithium-ion batteries. Highly porous, nitrogen-doped carbons as conductive host structures for sulfur/lithium sulfide deposition are shown herein to play a critical role in reversible cycling at low electrolyte/sulfur ratio. The pore geometry is precisely controlled by an efficient, scalable ZnO hard templating process. By using an electrolyte volume as low as 4 µL mg-1 S, the beneficial nitrogen functionality leads to a twofold increased cell lifetime turning our findings highly favorable for real applications. Stable cycling of up to 156 cycles (59 cycles with undoped carbon) with high sulfur loadings of 3 mg cm-2 is achieved. Operando X-ray diffraction measurements during cycling show the transformation pathway of the sulfur – polysulfide – Li2S species. The observed intermediates critically depend on the nitrogen doping in the cathode carbon matrix. Nitrogen-doped carbons facilitate polysulfide adsorption promoting the nucleation of crystalline Li2S. These results provide new insights into the significant role of heteroatom doping for carbons in Li-S batteries with high specific energy.

Details

OriginalspracheEnglisch
Seiten (von - bis)116-128
Seitenumfang13
FachzeitschriftNano energy
Jahrgang54
PublikationsstatusVeröffentlicht - Dez. 2018
Peer-Review-StatusJa

Schlagworte

Ziele für nachhaltige Entwicklung

Schlagwörter

  • Cathode, Conversion mechanism, Lithium-sulfur battery, Nitrogen-doped carbon, Operando diffraction