Fluorination of carbon based materials for high performing li s battery

The aim of the study has been to improve the electrochemical performances by increasing the stability and overcoming the “Shuttle Effect” in Lithium-Sulfur batteries using the non-convectional approach of fluorination with elementary gaseous fluorine on Carbon Black (CB). A wide variety of fluorination conditions have been experimented in order to identify best compromise between performances and degree of fluorination. Instead of typically use the pasted electrodes, an alternative method has been followed: using Nickel foam, as current collector, self-standing electrodes have been realized, reducing preparation time and increasing the active material loadings. Different characterization techniques such as Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (FTIR), conductivity measurement and UV-vis Spectroscopy have been used to assess the properties of fluorinated carbons as well as their capacity to entrap harmful long chains of polysulfides and prevent their migration inside the battery. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and charge-discharge tests have been performed on the full cells to assess the beneficial effects of fluorination on CB compared to the one containing pristine carbon. The batteries containing the functionalized samples showed a higher Coulombic Efficiency (≈ 96%) with long-lasting cycles (up to more than 100 cycles) and a high Specific Discharge Capacity (SDC).

Lo scopo dello studio è stato quello di migliorare le prestazioni elettrochimiche aumentando la stabilità e superando l'”Effetto Shuttle” nelle batterie Litio-Zolfo utilizzando l'approccio non convenzionale della fluorurazione con fluoro gassoso elementare su Carbon Black (CB). Sono state sperimentate diverse condizioni di fluorurazione al fine di identificare il miglior compromesso tra prestazioni e grado di fluorurazione. Invece di utilizzare tipicamente gli elettrodi stesi su collettori di corrente, è stato seguito un metodo alternativo: utilizzando la schiuma di nichel, come collettore di corrente, sono stati realizzati elettrodi self-standing, riducendo i tempi di preparazione e aumentando i carichi di materiale attivo. Diverse tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia a infrarossi (FTIR), la misurazione della conducibilità e la spettroscopia UV-vis sono state utilizzate per valutare le proprietà dei carboni fluorurati e la loro capacità di intrappolare lunghe catene di polisolfuri dannose e prevenirne la migrazione all'interno della batteria . Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e test di scarica di carica-scarica sono stati eseguiti su celle assemblate per valutare gli effetti benefici della fluorurazione sul CB rispetto a quello contenente carbonio incontaminato. Le batterie contenenti i campioni funzionalizzati hanno mostrato una maggiore efficienza coulombica (≈ 96%) con cicli di più lunga durata (fino a più di 100 cicli) e un’elevata capacità di scarica specifica (SDC).