Гъвкаво свързващо вещество за S@pPAN катод на литиево-сярна батерия

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Гъвкаво свързващо вещество за S@pPAN катод на литиево-сяра батерия. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303
 

Резюме

Композит от сулфуриран пиролизиран поли(акрилонитрил) (S@pPAN) като катоден материал на Li-S батерия реализира механизъм на реакция на преобразуване твърдо-твърдо вещество без разтваряне на полисулфиди. Въпреки това, неговите повърхностни и интерфейсни характеристики влияят значително върху електрохимичните характеристики, а също така има очевидни промени в обема по време на електрохимичния цикъл. В това изследване, едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT) и натриева карбоксиметил целулоза (CMC) бяха използвани като свързващо вещество за S@pPAN катод за регулиране на повърхността на S@pPAN и облекчаване на промените в обема по време на зареждане и разреждане. При плътност на тока от 2C степента на задържане на капацитета на батериите след 140 цикъла беше 84,7 процента, а висок специфичен капацитет от 1147 mAh∙g-1 все още може да се поддържа при висока плътност на тока от 7C. Крайната якост на опън за филма от композитното свързващо вещество се увеличава 41 пъти след добавяне на SWCNT, а композитното свързващо вещество гарантира по-стабилен интерфейс на електрода по време на работа, като по този начин ефективно подобрява стабилността на цикъла на сглобените литиево-серни батерии.
Ключови думи:литиево-сярна батерия, S@pPAN катод, натриева карбоксиметил целулоза; свързващо вещество, стабилен интерфейс

Традиционните литиево-йонни батерии имат предимствата на лесен процес на приготвяне и удобна употреба, но проблемите с ниската енергийна плътност (обикновено по-малко от 250 Wh∙kg-1) и високата цена все още са важни. Литиево-серните батерии имат по-висока теоретична специфична енергийна плътност (2600 Wh∙kg-1) и се считат за следващото поколение вторични акумулаторни батерии с голям потенциал за развитие. Освен това, елементарната сяра има предимствата на изобилие от запаси, ниска цена и теоретичен специфичен капацитет от 1672 mAh·g-1. Традиционният положителен електрод със сяра обаче ще има голяма промяна в обема (около 80 процента) и разпрашаване на електрода по време на процеса на зареждане и разреждане, което води до съкращаване на живота на батерията. И ще генерира разтворими полисулфиди, което води до ефект на совалка, което в крайна сметка води до поредица от проблеми като ниско използване на активни материали и лоша стабилност на цикъла на батерията. За да намалят въздействието на ефекта на совалката върху производителността на батерията, изследователите са разработили много базирани на сяра композитни катодни материали, за да подобрят производителността на литиево-сярните батерии. Като въглеродно-сярни композитни материали, проводими полимери и композитни материали, образувани от метални оксиди и сяра. Едностенните въглеродни нанотръби (SWCNTs) са добавка с общо предназначение с предимствата на ниска плътност, леко тегло и добра електрическа проводимост. В това изследване натриевата карбоксиметил целулоза е модифицирана чрез добавяне на SWCNT за подобряване на якостта и крайната якост на опън на свързващото вещество. Прилагането на това композитно свързващо вещество (означено като SCMC) в литиево-серни батерии с S@pPAN като катоден материал може значително да подобри стабилността на цикъла на батерията.

Експериментален метод

1.1 Подготовка на материала

Претеглете определено количество полиакрилонитрил (Mw{{0}}.5×105, Aldrich) и елементарна сяра в съответствие с масовото съотношение 1:8, добавете подходящо количество абсолютен етанол като дисперсант и ги разбъркайте равномерно в запечатан буркан с топкова мелница с ахат. След смилане в топкова мелница в продължение на 6 часа, той беше изсушен в пещ при 60 градуса. След изсъхване блоковата смес се смила добре. След това определено количество смесен прах беше претеглено и поставено в кварцова лодка и температурата беше повишена до 300 градуса в тръбна пещ под азотна защитна атмосфера и задържана в продължение на 6,5 часа, за да се получи S@pPAN черен прах с масова част на сяра от 41 процента. Претеглете 20 mg SWCNT в бутилка за проба и след това добавете 0,5 mg·mL -1 натриев додецилбензенсулфонат (SDBS). След ултразвукова обработка в продължение на 10 часа, CMC (Mw=7×105, Aldrich) се добавя към суспензията на SWCNT (масовото съотношение на CMC и SWCNT е 2:1) и се разбърква в продължение на 2 часа, за да се получи SCMC, и неговата масова фракция на твърдо съдържание е 1 процент. В допълнение, CMC, използван в контролния експеримент, е точно същият като CMC, използван в горния SCMC синтез без друга обработка. Разтворете CMC в дейонизирана вода, масовата част на CMC е 1 процент и пробата е етикетирана като CMCP.

1.2 Подготовка на електрода и сглобяване на батерията

S@pPAN, Super P и свързващата суспензия (SCMC или CMCP) бяха претеглени в съответствие с масовото съотношение 8:1:1. Поставете го в политетрафлуороетиленов резервоар за топкова мелница за 2 часа и масата на свързаната суспензия се изчислява според масата на компонента на твърдата фаза. Суспензията беше покрита върху покритото с въглерод алуминиево фолио с филмов апликатор и след изсушаване при стайна температура беше нарязана на ϕ12 mm дискове с микротом и изсушена в гореща пещ при 7 0 градуса за 6 часа. След предварително изсушаване, полюсната част се обработва с таблетна преса под налягане от 12 MPa, за да се намали дебелината на полюсната част и да се увеличи плътността на уплътняване на полюсната част, и след това продължава да се суши под вакуум при 70 градуса за 6 часа. След като температурата на вакуумната пещ падна до стайна температура, полюсният накрайник бързо се премести в жабката за претегляне и се остави настрана. Натоварването на активен материал на единица площ от катода в това изследване е около 0,6 mg∙cm-2. Електродите, базирани на SCMC и CMCP, се означават съответно като S@pPAN/SCMC и S@pPAN/CMC.

1.3 Тест за електрохимични характеристики

Батерия тип 2016-копче беше сглобена в реда на кутия с положителен електрод, лист с положителен електрод, сепаратор и литиев лист. Електролитът е разтвор от 1 mol L-1 LiPF6 етилен карбонат (EC)/диметил карбонат (DMC) (обемно съотношение 1:1) плюс масова фракция 10 процента флуоретилен карбонат (10 процента FEC). Диафрагмата е диафрагма от полиетилен (PE).

Използвайте системата за тестване на батерии Xinwei, за да провеждате тестове за зареждане и разреждане на сглобените батерии с постоянен ток. Батерията беше оставена да престои 4 часа преди цикъл, за да инфилтрира напълно сепаратора и електродите с електролита. Напрежението на прекъсване на заряда и разряда варира от 1.0 до 3.0 V и постоянна температура от 25 градуса се поддържа по време на цикъла. Тестът за дългосрочен цикъл беше извършен при плътност на тока 2C, а производителността на батерията беше тествана при плътност на тока 0.5C, 1C, 3C, 5C и 7C. Цикличната волтаметрия (CV) се извършва на електрохимична работна станция CHI 760E със скорост на сканиране от 1 mV s -1. Специфичният капацитет се изчислява въз основа на активния компонент сяра.

1.4 Характеризиране на физическите свойства

Рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) беше използвана за анализ на повърхностните елементи на литиеви листове след цикъл на батерията и подготовката на пробата беше завършена в жабка. XRD спектърът на материала S@pPAN беше тестван с рентгенов дифрактометър (XRD).
Кривата напрежение-деформация на лепилото беше тествана с динамичен термомеханичен анализатор (DMA Q850). Процесът на приготвяне на пробата е както следва: капнете CMCP и SCMC върху повърхността на плоска и чиста политетрафлуоретиленова плоча, поставете я в пещ при 55 градуса за 8 часа, за да се образува филм, и я нарежете на ленти за тестване, съответно обозначени като CMC филм и SCMC мембрана.
Циклираните електроди се измиват три пъти с подходящо количество DMC разтворител в жабка, за да се отстрани остатъчният електролит на повърхността, и се изсушават естествено. Морфологията на пробите се наблюдава чрез електронна микроскопия (SEM).
 

Повече литиево-йонниМатериали за батерииотTOB Нова енергия