LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Ευέλικτο συνδετικό για μπαταρία καθόδου θείου λιθίου S@pPAN. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303
Αφηρημένη
Θειούχο πυρολυμένο πολυ(ακρυλονιτρίλιο) (S@pPAN) σύνθετο ως υλικό καθόδου μπαταρίας Li-S πραγματοποιεί έναν μηχανισμό αντίδρασης μετατροπής στερεού-στερεού χωρίς διάλυση πολυσουλφιδίων. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά επιφάνειας και διεπαφής του επηρεάζουν σημαντικά την ηλεκτροχημική απόδοση και υπάρχουν επίσης εμφανείς αλλαγές όγκου κατά τη διάρκεια του ηλεκτροχημικού κύκλου. Σε αυτή τη μελέτη, νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNT) και καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη νατρίου (CMC) χρησιμοποιήθηκαν ως συνδετικό υλικό για την κάθοδο S@pPAN για τη ρύθμιση της επιφάνειας του S@pPAN και την ανακούφιση των αλλαγών όγκου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Σε πυκνότητα ρεύματος 2C, το ποσοστό διατήρησης χωρητικότητας των μπαταριών μετά από 140 κύκλους ήταν 84,7 τοις εκατό και μια υψηλή ειδική χωρητικότητα 1147 mAh∙g-1 μπορεί να διατηρηθεί σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος 7C. Η τελική αντοχή εφελκυσμού για το φιλμ του σύνθετου συνδετικού αυξάνεται κατά 41 φορές μετά την προσθήκη SWCNT και το σύνθετο συνδετικό εγγυάται μια πιο σταθερή διεπαφή ηλεκτροδίων κατά τη λειτουργία, βελτιώνοντας έτσι αποτελεσματικά τη σταθερότητα του κύκλου των ομοιόμορφων μπαταριών λιθίου-θείου.
Λέξεις-κλειδιά:μπαταρία λιθίου-θείου, κάθοδος S@pPAN, καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη νατρίου. συνδετικό, σταθερή διεπαφή
Οι παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν τα πλεονεκτήματα της απλής διαδικασίας προετοιμασίας και της βολικής χρήσης, αλλά τα προβλήματα χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας (γενικά μικρότερη από 250 Wh∙kg-1) και υψηλού κόστους εξακολουθούν να είναι εμφανή. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν υψηλότερη θεωρητική ειδική ενεργειακή πυκνότητα (2600 Wh∙kg-1) και θεωρούνται η επόμενη γενιά δευτερογενών επαναφορτιζόμενων μπαταριών με μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης. Επιπλέον, το στοιχειακό θείο έχει τα πλεονεκτήματα των άφθονων αποθεμάτων, του χαμηλού κόστους και μιας θεωρητικής ειδικής χωρητικότητας 1672 mAh·g-1. Ωστόσο, το παραδοσιακό θετικό ηλεκτρόδιο στοιχειακού θείου θα έχει μεγάλη αλλαγή όγκου (περίπου 80 τοις εκατό ) και κονιοποίηση ηλεκτροδίου κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, με αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Και θα δημιουργήσει διαλυτά πολυσουλφίδια, με αποτέλεσμα ένα φαινόμενο μεταφοράς, το οποίο τελικά οδηγεί σε μια σειρά προβλημάτων όπως η χαμηλή χρήση ενεργών υλικών και η κακή σταθερότητα του κύκλου της μπαταρίας. Προκειμένου να μειωθεί ο αντίκτυπος του φαινομένου της σαΐτας στην απόδοση της μπαταρίας, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει πολλά σύνθετα υλικά καθόδου με βάση το θείο για τη βελτίωση της απόδοσης των μπαταριών λιθίου-θείου. Όπως σύνθετα υλικά άνθρακα-θείου, αγώγιμα πολυμερή και σύνθετα υλικά που σχηματίζονται από οξείδια μετάλλων και θείο. Οι νανοσωλήνες άνθρακα ενός τοιχώματος (SWCNTs) είναι ένα πρόσθετο γενικής χρήσης με τα πλεονεκτήματα της χαμηλής πυκνότητας, του μικρού βάρους και της καλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Σε αυτή τη μελέτη, το νάτριο καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη τροποποιήθηκε με την προσθήκη SWCNT για ενίσχυση της σκληρότητας και της τελικής αντοχής σε εφελκυσμό του συνδετικού. Η εφαρμογή αυτού του σύνθετου συνδετικού υλικού (που δηλώνεται ως SCMC) σε μπαταρίες λιθίου-θείου με S@pPAN ως υλικό καθόδου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη σταθερότητα του κύκλου της μπαταρίας.
Πειραματική μέθοδος
1.1 Προετοιμασία υλικού
Ζυγίστε μια ορισμένη ποσότητα πολυακρυλονιτριλίου (Mw{{0}}.5×105, Aldrich) και στοιχειακού θείου σύμφωνα με την αναλογία μάζας 1:8, προσθέστε μια κατάλληλη ποσότητα απόλυτης αιθανόλης ως μέσο διασποράς και ανακατέψτε τα ομοιόμορφα σε ένα σφραγισμένο βάζο σφαιρόμυλου αχάτη. Μετά από άλεση με σφαιρίδια για 6 ώρες, στέγνωσε σε φυσικό φούρνο στους 60 βαθμούς. Αφού στεγνώσει, αλέστε καλά το μείγμα μπλοκ. Κατόπιν ζυγίστηκε μια ορισμένη ποσότητα αναμεμειγμένης σκόνης και τοποθετήθηκε σε βάρκα χαλαζία και η θερμοκρασία αυξήθηκε στους 300 βαθμούς σε κλίβανο σωλήνων κάτω από προστατευτική ατμόσφαιρα αζώτου και διατηρήθηκε για 6,5 ώρες για να ληφθεί μια μαύρη σκόνη S@pPAN με κλάσμα μάζας θείου 41 τοις εκατό. Ζυγίστε 20 mg SWCNT σε μια φιάλη δείγματος και στη συνέχεια προσθέστε 0,5 mg·mL{14}} δωδεκυλοβενζολοσουλφονικού νατρίου (SDBS). Μετά από επεξεργασία με υπερήχους για 10 ώρες, προστέθηκε CMC (Mw=7×105, Aldrich) στο εναιώρημα SWCNT (η αναλογία μάζας CMC και SWCNT ήταν 2:1) και αναδεύτηκε για 2 ώρες για να ληφθεί SCMC και το κλάσμα μάζας του στερεού περιεχομένου είναι 1 τοις εκατό. άλλη θεραπεία. Διαλύστε το CMC σε απιονισμένο νερό, το κλάσμα μάζας του CMC είναι 1 τοις εκατό και το δείγμα επισημαίνεται ως CMCP.
1.2 Προετοιμασία ηλεκτροδίων και συναρμολόγηση μπαταρίας
Το S@pPAN, το Super P και ο πολτός συγκόλλησης (SCMC ή CMCP) ζυγίστηκαν σύμφωνα με την αναλογία μάζας 8:1:1. Τοποθετήστε το σε δεξαμενή πολυτετραφθοροαιθυλενίου για άλεση με σφαιρίδια για 2 ώρες και η μάζα του κολλημένου πολτού υπολογίζεται σύμφωνα με τη μάζα του συστατικού στερεάς φάσης. Ο πολτός επικαλύφθηκε στο επικαλυμμένο με άνθρακα φύλλο αλουμινίου με ένα εφαρμοστή μεμβράνης και αφού στέγνωσε σε θερμοκρασία δωματίου, κόπηκε σε δίσκους ϕ12 mm με μικροτόμο και στέγνωσε σε υψικό φούρνο στους 70 βαθμούς για 6 ώρες. Μετά την προξήρανση, το πολικό τεμάχιο υποβλήθηκε σε επεξεργασία με πρέσα ταμπλέτας υπό πίεση 12 MPa για να μειωθεί το πάχος του πολικού τεμαχίου και να αυξηθεί η πυκνότητα συμπίεσης του πολικού τεμαχίου και στη συνέχεια να συνεχιστεί η ξήρανση υπό κενό στους 70 βαθμούς για 6 ώρες. Αφού η θερμοκρασία του φούρνου κενού έπεσε σε θερμοκρασία δωματίου, το στύλο μεταφέρθηκε γρήγορα στο ντουλαπάκι για ζύγισμα και αφέθηκε στην άκρη. Η φόρτωση ενεργού υλικού ανά μονάδα επιφάνειας της καθόδου σε αυτή τη μελέτη είναι περίπου 0,6 mg∙cm-2. Τα ηλεκτρόδια που βασίζονται σε SCMC και CMCP συμβολίζονται ως S@pPAN/SCMC και S@pPAN/CMC, αντίστοιχα.
1.3 Δοκιμή ηλεκτροχημικής απόδοσης
Μια 2016-μπαταρία κουμπιού τύπου συναρμολογήθηκε με τη σειρά της θήκης θετικού ηλεκτροδίου, του φύλλου θετικού ηλεκτροδίου, του διαχωριστή και του φύλλου λιθίου. Ο ηλεκτρολύτης είναι 1 mol L-1 LiPF6 ανθρακικό αιθυλένιο (EC)/ανθρακικός διμεθυλεστέρας (DMC) (αναλογία όγκου 1 : 1) διάλυμα συν κλάσμα μάζας 10 τοις εκατό ανθρακικό φθοροαιθυλένιο (10 τοις εκατό FEC), Το διάφραγμα είναι διάφραγμα πολυαιθυλενίου (PE).
Χρησιμοποιήστε το σύστημα δοκιμής μπαταρίας Xinwei για να πραγματοποιήσετε δοκιμές φόρτισης και εκφόρτισης σταθερού ρεύματος στις συναρμολογημένες μπαταρίες. Η μπαταρία αφέθηκε να παραμείνει για 4 ώρες πριν από την ανακύκλωση για να διεισδύσει πλήρως στον διαχωριστή και τα ηλεκτρόδια με τον ηλεκτρολύτη. Η τάση διακοπής φόρτισης-εκφόρτισης κυμαινόταν από 1.0 έως 3.{6}} V και διατηρήθηκε σταθερή θερμοκρασία 25 βαθμών κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Η δοκιμή μακροπρόθεσμου κύκλου πραγματοποιήθηκε σε πυκνότητα ρεύματος 2C και η απόδοση ρυθμού της μπαταρίας δοκιμάστηκε σε 0.5C, 1C, 3C, 5C και 7C πυκνότητα ρεύματος. Η κυκλική βολταμετρία (CV) πραγματοποιήθηκε σε ηλεκτροχημικό σταθμό εργασίας CHI 760E με ρυθμό σάρωσης 1 mV s-1. Η ειδική χωρητικότητα υπολογίζεται με βάση το δραστικό συστατικό θείο.
1.4 Χαρακτηρισμός Φυσικών Ιδιοτήτων
Η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XPS) χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των επιφανειακών στοιχείων των φύλλων λιθίου μετά την ανακύκλωση της μπαταρίας και η προετοιμασία του δείγματος ολοκληρώθηκε σε κουτί γαντιών. Το φάσμα XRD του υλικού S@pPAN δοκιμάστηκε με περιθλασίμετρο ακτίνων Χ (XRD).
Η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης της κόλλας δοκιμάστηκε με δυναμικό θερμομηχανικό αναλυτή (DMA Q850). Η διαδικασία προετοιμασίας του δείγματος είναι η εξής: ρίξτε CMCP και SCMC στην επιφάνεια μιας επίπεδης και καθαρής πλάκας πολυτετραφθοροαιθυλενίου, βάλτε το σε φουσκωτό φούρνο στους 55 βαθμούς για 8 ώρες για να σχηματιστεί μια μεμβράνη και κόψτε τα σε λωρίδες για δοκιμή, που δηλώνονται αντίστοιχα ως φιλμ CMC και μεμβράνη SCMC.
Τα ανακυκλωμένα ηλεκτρόδια πλύθηκαν τρεις φορές με κατάλληλη ποσότητα διαλύτη DMC σε ντουλαπάκι για να αφαιρεθεί ο υπολειμματικός ηλεκτρολύτης στην επιφάνεια και ξηράνθηκαν φυσικά. Η μορφολογία των δειγμάτων παρατηρήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM).
Περισσότερο ιόν λιθίουΥλικά ΜπαταριώναπόTOB New Energy
