"This is the peer reviewed version of the following article: [Advanced Energy Materials, 2017, 7 (8)],
which has been published in final form at [http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201602014]. This article
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Archiving
."
1
D O I : 1 0 . 1 0 0 2 / ( ( p l e a s e a d d m a n u s c r i p t n u m b e r ) )
A r t i c l e t y p e : F u l l P a p e r
F a b r i c a t i o n o f N - d o p e d g r a p h e n e - c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d s f r o m P r u s s i a n b l u e f o r L i t h i u m -
s u l f u r B a t t e r i e s
D a w e i S u ,
M i c h a e l C o r t i e ,
a n d G u o x i u W a n g
*
D r . D a w e i S u , P r o f . G u o x i u W a n g
C e n t r e f o r C l e a n E n e r g y T e c h n o l o g y , F a c u l t y o f S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y S y d n e y , N S W
2 0 0 7 , A u s t r a l i a .
P r o f . M i c h a e l C o r t i e
I n s t i t u t e f o r N a n o s c a l e T e c h n o l o g y , F a c u l t y o f S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y S y d n e y , N S W
2 0 0 7 , A u s t r a l i a .
E - m a i l : G u o x i u . W a n g @ u t s . e d u . a u
A B S T R A C T : H y b r i d n a n o - s t r u c t u r e s c o n t a i n i n g o n e - d i m e n s i o n a l ( 1 D ) c a r b o n n a n o t u b e s a n d t w o -
d i m e n s i o n a l ( 2 D ) g r a p h e n e s h e e t s h a v e m a n y p r o m i s i n g a p p l i c a t i o n s d u e t o t h e i r u n i q u e p h y s i c a l
a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s . H e r e i n , w e f o u n d P r u s s i a n b l u e ( d e h y d r a t e d s o d i u m f e r r o c y a n i d e ) c a n b e
c o n v e r t e d t o N - d o p e d g r a p h e n e - c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d m a t e r i a l s t h r o u g h a s i m p l e o n e - s t e p p y r o l y -
s i s p r o c e s s . T h r o u g h F E S E M , T E M , X R D , R a m a n s p e c t r a , A F M , a n d i s o t h e r m a l a n a l y s e s , w e i d e n -
t i f i e d t h a t 2 D g r a p h e n e a n d 1 D c a r b o n n a n o t u b e s w e r e b o n d e d s e a m l e s s l y d u r i n g t h e g r o w t h s t a g e .
W h e n u s e d a s t h e s u l f u r s c a f f o l d f o r l i t h i u m - s u l f u r b a t t e r i e s , i t d e m o n s t r a t e d o u t s t a n d i n g e l e c t r o -
c h e m i c a l p e r f o r m a n c e , i n c l u d i n g a h i g h r e v e r s i b l e c a p a c i t y ( 1 2 2 1 m A h g
- 1
a t 0 . 2 C r a t e ) , e x c e l l e n t
r a t e c a p a b i l it y ( 4 5 8 a n d 2 2 0 m A h g
- 1
a t 5 C a n d 1 0 C r a t e s , r e s p e c t i v e l y ) , a n d e x c e l l e n t c y c l i n g s t a -
b i l i t y ( 3 2 1 a n d 1 6 4 m A h g
- 1
a t 5 a n d 1 0 C ( 1 C = 1 6 7 3 m A g
- 1
) a f t e r 1 0 0 0 c y c l e s ) . T h e e n h a n c e m e n t
o f e l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c e c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l a r c h i t e c t u r e o f t h e h y b r i d
m a t e r i a l , i n w h i c h , a d d i t i o n a l l y , t h e n i t r o g e n d o p i n g g e n e r a t e s d e f e c t s a n d a c t i v e s i t e s f o r i m p r o v e d
i n t e r f a c i a l a d s o r p t i o n . F u r t h e r m o r e , t h e n i tr o g e n d o p i n g e n a b l e s t h e e f f e c t i v e t r a p p i n g o f l i t h i u m
2
p o l y s u l f i d e s o n e l e c t r o a c t i v e s i t e s w i t h i n t h e c a t h o d e , l e a d i n g t o a m u c h i m p r o v e d c y c l i n g p e r f o r -
m a n c e . T h e r e f o r e , t h e h y b r i d m a t e r i a l f u n c t i o n s a s a r e d o x s h u t tl e t o c a t e n a t e a n d b i n d p o l y s u l f i d e s ,
a n d c o n v e r t t h e m t o i n s o l u b l e l i t h i u m s u l f i d e d u r i n g r e d u c t i o n . T h e s t r a t e g y r e p o r t e d i n t h i s p a p e r
c o u l d o p e n a n e w a v e n u e f o r l o w c o s t s y n t h e s i s o f N - d o p e d g r a p h e n e - c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d m a -
t e r i a l s f o r h i g h p e r f o r m a n c e l i t h i u m - s u l f u r b a t t e r i e s .
Key w o r d s : O n e s t e p s y n t h e s i s , n i t r o g e n - d o p e d g r a p h e n e - c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d m a t e r i a l s , l i t h i -
um - s u l p h u r b a t t e r i e s
I n t r o d u c t i o n
B e c a u s e o f t h e h i g h t h e o r e t i c a l c a p a c i t y ( 1 6 7 3 m A h g
- 1
) a n d e n e r g y d e n s i t y ( 2 6 0 0 W h k g
- 1
) o f
s u l f u r , l i t h i u m - s u l f u r ( Li- S ) b a t t e r i e s c a n , i n p r i n c i p l e , b o o s t c a p a c i t y f i v e - f o l d o v e r t h e c u r r e n t l it h i -
um - i o n b a t te r i e s . F u r t h e r m o r e , s u l f u r i s a n a t u r a l l y a b u n d a n t e l e m e n t ( a r o u n d 3 % o f t h e E a r t h ’ s
m a s s ) , h a s a l o w c o s t , a n d i s e n v i r o n m e n t a l l y b e n i g n . T h e r e f o r e , i n c r e a s i n g n u m b e r o f t h e r e s e a r c h
g r o u p s f o c u s o n t h e L i - S b a t t e r i e s . H o w e v e r , p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o f L i - S b a t t e r i e s a r e c u r r e n t l y
h i n d e r e d b y s e v e r a l o b s t a c l e s . S u l f u r i s a n i n s u l a t o r , w h i c h c a u s e s p o o r e l e c t r o c h e m i c a l c o n t a c t
w i t h i n t h e e l e c t r o d e m a t e r i a l . T h e i n t e r m e d i a t e p o l y s u l f i d e p r o d u c t s c a n b e d i s s o l v e d i n t h e e l e c t r o -
l y t e , a n d t h e y c a n s h u t t le b e t w e e n t h e a n o d e a n d c a t h o d e . T h i s c a u s e s t h e s o - c a l l e d ‘ s h u t t l i n g e f f e c t ’
w h i c h i s a s s o c i a t e d w i t h a n i r r e v e r s i b l e l o s s o f s u l f u r , r e s u l t i n g i n l o w C o u l o m b i c e f f i c i e n c y , l o w
c y c l i n g c a p a c i t y , a n d a n i n c r e a s e i n i n t e r n a l r e s i s t a n c e . F u r t h e r m o r e , t h e f i n a l i n s o l u b l e p r o d u c t L i
2
S
a l w a y s i n d u c e s l a r g e v o l u m e e x p a n s i o n d u e t o t h e d i f f e r e n c e s i n d e n s i t i e s o f L i
2
S ( 1 . 6 6 g c m
- 3
) a n d
s u l f u r ( 2 . 0 3 g c m
- 3
) , l e a d i n g t o a r a p i d c a p a c i t y d e c a y .
[ 1 ]
S o f a r , m a n y e f f o r t s h a v e b e e n m a d e t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f L i - S b a t t e r i e s . T h e m o s t
p o p u l a r a p p r o a c h i s t o e n c a p s u l a t e s u l f u r i n t h e p o r e s o f c a r b o n m a t e r i a l s o r a c o n d u c t iv e p o l y m e r
m a t r i x . A n e n c o u r a g i n g e a r l y i n d i c a t i o n i s t h a t , i n s o m e c a s e s , t h e s p e c i a l s t r u c t u r e o f s u l f u r c a r r i e r s
s u c h a s p o r o u s c a r b o n c a n p r e v e n t p o l y s u l f i d e s f r o m d i s s o l v i n g i n t h e e l e c t r o l y t e .
[ 2 ]
M a c r o p o r o u s o r
3
m e s o p o r o u s c a r b o n m a t e r i a l s h a v e u s e f u l l a r g e p o r e v o l u m e s b u t t h e i r l a r g e p o r e s h a v e p r o v e d t o b e
i n e f f i c i e n t f o r t h e c a p t u r e o f s u l f u r a n d , f u r t h e r m o r e , t h e y d o n o t b l o c k t h e n a t u r a l l y h i g h s o l u b i l i t y
o f p o l y s u l f i d e s .
[ 1 b ]
M i c r o p o r o u s c a r b o n m a t e r i a l s w i t h p o r e s i z e s < ~ 1 n m , o n t h e o t h e r h a n d , c a n
e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e e l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c e o f L i - S b a t t e r i e s .
[ 3 ]
( T h e I U P A C G o l d B o o k
[ 4 ]
r e c o m m e n d s t h e t e r m ‘ m i c r o p o r o u s ’ f o r c a r b o n a c e o u s m a t e r i a l s w i t h p o r e s i z e s < 2 n m . T h e y a r e
a l s o c o m m o n l y d e s c r i b e d a s ‘ n a n o p o r o u s ’ i n t h e l i t e r a t u r e ) .
C a r b o n n a n o t u b e s ( C N T s ) , a 1 - D a l l o t r o p e o f c a r b o n w i t h e x t r a o r d i n a r y p r o p e r t i e s , h a v e b e e n
w i d e l y i n v e s t i g a t e d i n r e c e n t d e c a d e s . N o t o n l y d o C N T s e x h i b i t o u t s t a n d i n g m e c h a n i c a l s t r e n g t h
a n d a v e r y l a r g e s u r f a c e - to- v o l u m e r a t i o , s o m e s p e c i f i c f o r m s a r e a l s o h i g h l y e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e .
F o r t h i s l a t t e r r e a s o n , C N T s h a v e b e e n u s e d t o c o n s t r u c t e l e c t r o c h e m i c a l e l e c t r o d e s f o r s e n s i n g
[ 5 ]
a n d
e n e r g y s t o r a g e .
[ 6 ]
G r a p h e n e i s a r e c e n t l y d i s c o v e r e d 2 - D s p
2
c a r b o n , w h i c h e x h i b i t s a n e v e n h i g h e r
c h a r g e - c a r r i e r m o b i l i t y a n d s p e c i f i c s u r f a c e a r e a t h a n C N T s . G r a p h e n e i s a l s o a n a t t r a c t i v e c h o i c e f o r
p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i n a c t u a t o r s ,
[ 7 ]
s o l a r c e l l s ,
[ 8 ]
s u p e r c a p a c i t o r s ,
[ 9 ]
a n d b a t t e r i e s .
[ 1 0 ]
M u l t i - w a l l e d
c a r b o n n a n o t u b e s ,
[ 1 1 ]
g r a p h e n e ,
[ 1 2 ]
g r a p h e n e o x i d e
[ 1 3 ]
h a v e b e e n t r ia l e d f o r t h e L i - S b a t t e r i e s a l s o .
Q i a n S u n e t a l . r e p o r t e d a n a l i g n e d a n d l a m i n a t e d s u l f u r - a b s o r b e d m e s o p o r o u s c a r b o n / C N T h y b r i d
f o r Li- S b a t t e r i e s w i t h a h i g h c a p a c i t y o f 1 2 2 6 m A h g
- 1
a n d a c h i e v e s a c a p a c i t y r e t e n t i o n o f 7 5 %
a f t e r 1 0 0 c y c l e s a t 0 . 1 C .
[ 1 4 ]
H o w e v e r , b o t h f o r m s o f C N T a n d g r a p h e n e e x h i b i t a t e n d e n c y t o a g g r e -
g a t e d u e t o s t r o n g v a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s . T h i s d e g r a d e s t h e a t t a i n a b l e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c a r -
b o n n a n o t u b e s a n d g r a p h e n e . T h e s y n t h e s i s o f C N T a n d g r a p h e n e c o m p o s i t e s w i t h a 3 D h i e r a r c h i c a l
s t r u c t u r e c a n e f f e c t i v e l y m i t i g a t e t h e s e l f - a g g r e g a t i o n a n d r e - s t a c k i n g o f c a r b o n n a n o t u b e s a n d g r a -
p h e n e , t h e r e b y p r e s e r v i n g t h e i r i n t r i n s i c p h y s i c a l p r o p e r t i e s . T h e o r e t i c a l r e s e a r c h h a s a l s o s u g g e s t e d
t h a t a c o v a l e n t l y b o n d e d g r a p h e n e a n d s i n g l e - w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d m a t e r i a l c a n e x t e n d
t h e i r e l e c t r o n i c p r o p e r t ie s t o 3 D f o r a p p l i c a t i o n s i n e n e r g y s t o r a g e a n d n a n o e l e c t r o n i c
tec h n o l o g i e s .
[ 1 5 ]
T h e r e f o r e , 3 D c a r b o n - n e t w o r k s c o m b i n i n g 1 D c a r b o n n a n o t u b e s a n d 2 D g r a p h e n e
4
h a v e a t t r a c t e d c o n s i d e r a b l e i n t e r e st f o r t h e L i - S b a t t e r i e s .
[ 1 6 ]
H u i s h e n g P e n g e t a l . s u m m a r i z e d r e c e n t
p r o g r e s s o n h y b r i d c a r b o n s t r u c t u r e s f o r t h e r e c h a r g e a b l e Li- S b a t t e r i e s .
[ 1 7 ]
G e n e r a l l y , h y b r i d s o f C N T s a n d g r a p h e n e c a n b e s y n t h e s i z e d b y c a t a l y t i c g r o w t h o f o n e b u i l d i n g
b l o c k o n t h e o t h e r o n e .
[ 1 8 ]
S u c h a s Q i a n g Z h a n g a n d c o - a u t h o r s f a b r i c a t e d g r a p h e n e / s i n g l e - w a l l e d
c a r b o n n a n o t u b e h y b r i d b y a c a t a l y t i c g r o w t h o n l a y e r e d d o u b l e h y d r o x i d e a t a h i g h t e m p e r a t u r e
o v e r 9 5 0 °C a s c a t h o d e m a t e r i a l s f o r L i - S b a t t e r i e s . T h e h y b r i d e x h i b i t e d g o o d p e r f o r m a n c e w i t h a
c a p a c i t y a s h i g h a s 6 5 0 m A h g
- 1
a f t e r 1 0 0 c y c l e s e v e n a t a h i g h c u r r e n t r a t e.
[ 1 9 ]
H o w e v e r , t h e s t a b i l -
i t y o f m e t a l c a t a l y s t s o n c a r b o n s u p p o r t s i s v e r y c o m p l i c a t e d .
[ 1 8 ]
S o m e r e c e n t a t t e m p t s h a v e b e e n
m a d e t o f a b r i c a t e c a r b o n n a n o t u b e a n d g r a p h e n e h y b r i d f i l m s b y s p i n - c o a t i n g h o m o g e n e o u s l y m i x e d
s o l u t i o n s o f t h e t w o c a r b o n - b a s e d n a n o m a t e r i a l s .
[ 2 0 ]
H o w e v e r , t h e h y b r i d f i l m s c o n s i s t o f a g g r e g a t e d
t h i c k g r a p h e n e l a y e r s w i t h p o o r c o n t r o l l a b i l i t y . T h e r e a r e a l s o r e p o r t s o f h y d r o t h e r m a l p r o c e s s e s u s -
i n g g r a p h e n e o x i d e ( G O ) a n d o x i d i z e d m u l ti - w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e a s p r e c u r s o r s t o s y n t h e s i z e
c a r b o n n a n o t u b e a n d g r a p h e n e c o m p o s i t e s .
[ 2 1 ]
S o f a r , h o w e v e r , r e p o r t s o f h y b r i d s i n w h i c h i n t e g r a -
t i o n o f h i g h - q u a l i t y a l i g n e d c a r b o n n a n o t u b e a n d g r a p h e n e h a v e b e e n a c h i e v e d a r e v e r y r a r e . G e n e r -
a l l y , i t s e e m s t h a t t h e e x c e l l e n t p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p u r e C N T a n d g r a p h e n e a l l o t r o p e s a r e n o t
i n h e r i t e d b y t h e h y b r i d s t r u c t u r e .
[ 1 6 a ]
I t h a s b e e n f u r t h e r r e p o r t e d t h a t , t u n a b l e c h e m i c a l t e c h n i q u e s , s u c h a s u s i n g f u n c t i o n a l g r o u p s ,
d o p i n g , a n d s u r f a c e m o d i f i c a t i o n o n t h e s p
2
c a r b o n , c a n h e l p w i t h t h e a t t a i n m e n t o f t h e d e s i r e d p h y s -
i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r ti e s . F o r e x a m p l e , i n e n e r g y s t o r a g e a p p l i c a t i o n s , i t w a s f o u n d t h a t n i t r o g e n
d o p e d s p
2
c a r b o n s h a v e s i g n i f ic a n t l y i m p r o v e d e l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c e a n d c a t a l y t i c
a c t i v i t y .
[ 1 0 a]
T h i s i s b e c a u s e n i t r o g e n b e a r s f i v e v a l e n c e e l e c t r o n s w h i c h i n d u c e a s h i f t i n t h e F e r m i
l e v e l t o t h e c o n d u c t i n g b a n d .
[ 2 2 ]
W h e n n i t r o g e n - d o p e d g r a p h e n e a n d c a r b o n n a n o t u b e ( N - GE- C N T s )
h y b r i d s w e r e u s e d a s c a t h o d e m a t e r i a l s f o r L i - S b a t t e r i e s , e n h a n c e d c y c l i n g a n d r a t e p e r f o r m a n c e s
c a n b e d e m o n s t r a t e d .
[ 2 3 ]
T h e r e f o r e , N - GE- C N T s h y b r i d s a r e a l s o a p r o m i s i n g c a n d i d a t e f o r L i - S b a t -
t e r i e s . P r e v i o u s l y , t h e n i t r o g e n w a s d o p e d i n f r o m o u t s i d e s o u r c e s , s u c h a s a m m o n i a ,
[ 2 1 ]
p y r i d i n e ,
[ 2 4 ]