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リチウム硫黄電池のための自己組織化Nドープ炭素のチューブインチューブナノ構造の開発
Self-assembled N-doped carbon with a tube-in-tube nanostructure for lithium-sulfur batteries.
PMID: 31630017 DOI: 10.1016/j.jcis.2019.10.027.
抄録
リチウム-硫黄電池は、低コスト・高エネルギー貯蔵システムとして大きな可能性を秘めていますが、硫黄の絶縁性やシャトル効果の問題から実用化には限界があります。しかし、硫黄の本質的な絶縁性や可溶性ポリサルファイド中間体のシャトル効果により、実用化には限界があります。本研究では、カーボンナノチューブを窒素ドープした中空カーボンシェルに封入し、窒素ドープしたチューブインチューブカーボンナノ構造体(NTTC)を硫黄のホスト材料として構築するための便利な自己組織化戦略を実証した。この特殊な構造では、導電性の高いカーボンナノチューブのコアが電子移動を促進し、中空多孔質構造が70wt%という高い硫黄含有量に対応しています。さらに、窒素をドーピングすることで、ポリサルファイドへの化学吸着が促進され、シャトル効果を緩和することができます。これらの利点を生かして、2.5mgcmの高い面内質量を持つNTTC/S複合体は、高い可逆容量（0.05℃で1346.9mAhg）と優れたレート性能（3℃で533.5mAhg）を示します。さらに印象的なことに、NTTC/S電極は2Cの高速度で良好なサイクル安定性を示し、500回の放電/充電サイクルで1サイクルあたり0.055%のわずかな容量減衰に対応している。
Lithium-sulfur batteries hold broad prospects as the low-cost and high-energy storage system. However, the practical application is limited by the intrinsic insulating nature of sulfur and severe shuttle effect of soluble polysulfide intermediates. Herein, we demonstrate a convenient self-assembly strategy for encapsulating carbon nanotubes in nitrogen-doped hollow carbon shells, to construct a nitrogen-doped tube-in-tube carbon nanostructure (NTTC) as a host material of sulfur. In this peculiar structure, the highly conductive carbon nanotube cores facilitate the electron transfer while the hollow porous structure is capable of accommodating high sulfur content of 70 wt% in the composites. Moreover, the nitrogen doping helps to alleviate the shuttle effect owing to enhanced chemisorption towards polysulfides. Benefiting from these merits, the NTTC/S composite with the high areal mass loading of ~2.5 mg cm presents a high reversible capacity (1346.9 mAh g at 0.05 C) and excellent rate capability (533.5 mAh g at 3C). More impressively, NTTC/S electrode exhibits good cycling stability at a high rate of 2 C corresponding to slight capacity decay of 0.055% per cycle over 500 discharge/charge cycles.
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