LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Liant flexibil pentru S@pPAN Catod of Lithium Sulph Battery. Journal of Anorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303
Abstract
Compozitul poli(acrilonitril) (S@pPAN) pirolizat sulfurat ca material catodic al bateriei Li-S realizează un mecanism de reacție de conversie solid-solid fără dizolvarea polisulfurilor. Cu toate acestea, caracteristicile de suprafață și interfață influențează semnificativ performanța electrochimică și există, de asemenea, modificări evidente de volum în timpul ciclării electrochimice. În acest studiu, nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT) și carboximetil celuloză de sodiu (CMC) au fost utilizate ca liant pentru catodul S@pPAN pentru a regla suprafața S@pPAN și a atenua modificările de volum în timpul încărcării și descărcării. La o densitate de curent de 2C, rata de reținere a capacității bateriilor după 140 de cicluri a fost de 84,7%, iar o capacitate specifică mare de 1147 mAh∙g-1 poate fi încă menținută la o densitate mare de curent de 7C. Rezistența maximă la tracțiune pentru filmul liantului compozit crește de 41 de ori după adăugarea SWCNT, iar liantul compozit garantează o interfață mai stabilă a electrodului în timpul funcționării, îmbunătățește astfel în mod eficient stabilitatea ciclului bateriilor litiu-sulf asamblate.
Cuvinte cheie:baterie litiu-sulf, catod S@pPAN, carboximetil celuloză de sodiu; liant, interfață stabilă
Bateriile tradiționale litiu-ion au avantajele unui proces simplu de preparare și al utilizării convenabile, dar problemele densității scăzute de energie (în general mai puțin de 250 Wh∙kg-1) și costul ridicat sunt încă proeminente. Bateriile cu litiu-sulf au o densitate teoretică de energie specifică mai mare (2600 Wh∙kg-1) și sunt considerate a fi următoarea generație de baterii reîncărcabile secundare cu potențial mare de dezvoltare. Mai mult, sulful elementar are avantajele unor rezerve abundente, costuri reduse și o capacitate specifică teoretică de 1672 mAh·g-1. Cu toate acestea, electrodul pozitiv cu sulf elementar tradițional va avea o schimbare mare de volum (aproximativ 80 la sută) și pulbere de electrod în timpul procesului de încărcare și descărcare, ceea ce duce la scurtarea duratei de viață a bateriei. Și va genera polisulfuri solubile, rezultând un efect de navetă, care în cele din urmă duce la o serie de probleme, cum ar fi utilizarea scăzută a materialelor active și stabilitatea slabă a ciclului bateriei. Pentru a reduce impactul efectului de navetă asupra performanței bateriilor, cercetătorii au dezvoltat multe materiale catodice compozite pe bază de sulf pentru a îmbunătăți performanța bateriilor cu litiu-sulf. Cum ar fi materiale compozite carbon-sulf, polimeri conductivi și materiale compozite formate din oxizi metalici și sulf. Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWCNT) sunt un aditiv de uz general cu avantajele densității scăzute, greutății ușoare și conductivității electrice bune. În acest studiu, carboximetil celuloza de sodiu a fost modificată prin adăugarea de SWCNT pentru a spori duritatea și rezistența finală la tracțiune a liantului. Aplicarea acestui liant compozit (notat SCMC) în bateriile cu litiu-sulf cu S@pPAN ca material catod poate îmbunătăți semnificativ stabilitatea ciclului bateriei.
Metoda experimentala
1.1 Pregătirea materialului
Se cântărește o anumită cantitate de poliacrilonitril (Mw{{0}}.5×105, Aldrich) și sulf elementar conform raportului de masă de 1:8, se adaugă o cantitate adecvată de etanol absolut ca dispersant și se amestecă uniform într-un borcan de moară cu bile de agat etanș. După măcinarea cu bile timp de 6 ore, s-a uscat într-un cuptor la 60 de grade. După uscare, măcinați bine amestecul de bloc. Apoi, o anumită cantitate de pulbere amestecată a fost cântărită și așezată într-o barcă de cuarț, iar temperatura a fost ridicată la 300 de grade într-un cuptor tub sub o atmosferă protectoare de azot și ținută timp de 6,5 ore pentru a obține o pulbere neagră S@pPAN cu o fracție de masă de sulf de 41%. Cântăriți 20 mg SWCNT într-o sticlă de probă și apoi adăugați 0,5 mg·mL-1 dodecilbenzensulfonat de sodiu (SDBS). După tratamentul cu ultrasunete timp de 10 ore, CMC (Mw=7×105, Aldrich) a fost adăugat la suspensia SWCNT (raportul de masă CMC și SWCNT a fost de 2:1) și agitat timp de 2 ore pentru a obține SCMC, iar fracția de masă a conținutului de solid este de 1 la sută. Se dizolvă CMC în apă deionizată, fracția de masă a CMC este de 1%, iar proba este etichetată ca CMCP.
1.2 Pregătirea electrozilor și asamblarea bateriei
S@pPAN, Super P și suspensia de lipire (SCMC sau CMCP) au fost cântărite conform raportului de masă de 8:1:1. Puneți-l într-un rezervor de politetrafluoretilenă pentru măcinarea cu bile timp de 2 ore, iar masa suspensiei lipite este calculată în funcție de masa componentei în fază solidă. Suspensia a fost acoperită pe folie de aluminiu acoperită cu carbon cu un aplicator de film și, după uscare la temperatura camerei, a fost tăiată în discuri ϕ12 mm cu un microtom și uscată într-un cuptor cu explozie la 70 grade timp de 6 ore. După pre-uscare, piesa polară a fost prelucrată cu o presă de tablete sub o presiune de 12 MPa pentru a reduce grosimea piesei polare și pentru a crește densitatea de compactare a piesei polare, iar apoi a continua să se usuce cu vid la 70 de grade timp de 6 ore. După ce temperatura cuptorului cu vid a scăzut la temperatura camerei, piesa de stâlp a fost rapid transferată în torpedo pentru cântărire și pusă deoparte. Încărcarea materialului activ pe unitatea de suprafață a catodului în acest studiu este de aproximativ 0,6 mg∙cm-2. Electrozii bazați pe SCMC și CMCP sunt notați ca S@pPAN/SCMC și, respectiv, S@pPAN/CMC.
1.3 Test de performanță electrochimică
O baterie buton de tip 2016-a fost asamblată în ordinea carcasei electrodului pozitiv, a foii de electrod pozitiv, a separatorului și a foii cu litiu. Electrolitul este 1 mol L-1 LiPF6 carbonat de etilenă (EC)/dimetil carbonat (DMC) (raport de volum 1: 1) soluție plus fracția de masă 10% carbonat de fluoretilen (10% FEC). Diafragma este o diafragmă de polietilenă (PE).
Utilizați sistemul de testare a bateriilor Xinwei pentru a efectua teste de încărcare și descărcare cu curent constant pe bateriile asamblate. Bateria a fost lăsată să stea timp de 4 ore înainte de ciclu pentru a infiltra complet separatorul și electrozii cu electrolitul. Tensiunea de întrerupere a sarcinii-descărcare a variat între 1,0 și 3,0 V și a fost menținută o temperatură constantă de 25 de grade în timpul ciclării. Testul ciclului pe termen lung a fost efectuat la o densitate de curent de 2C, iar performanța bateriei a fost testată la densitatea de curent 0.5C, 1C, 3C, 5C și 7C. Voltometria ciclică (CV) a fost efectuată pe o stație de lucru electrochimică CHI 760E cu o rată de scanare de 1 mV s-1. Capacitatea specifică se calculează pe baza componentului activ sulf.
1.4 Caracterizarea proprietăților fizice
Spectroscopia fotoelectronului cu raze X (XPS) a fost utilizată pentru a analiza elementele de suprafață ale foilor de litiu după ciclul bateriei, iar pregătirea probei a fost finalizată într-o cutie de torpedo. Spectrul XRD al materialului S@pPAN a fost testat cu difractometrul de raze X (XRD).
Curba stres-deformare a adezivului a fost testată cu un analizor termomecanic dinamic (DMA Q850). Procesul de preparare a probei este următorul: aruncați CMCP și SCMC pe suprafața unei plăci de politetrafluoretilenă plană și curată, puneți-o într-un cuptor cu explozie la 55 de grade timp de 8 ore pentru a forma o peliculă și tăiați-o în benzi pentru testare, respectiv notate ca film CMC și membrană SCMC.
Electrozii ciclați au fost spălați de trei ori cu o cantitate adecvată de solvent DMC într-o cutie de torpedo pentru a îndepărta electrolitul rezidual de pe suprafață și s-au uscat în mod natural. Morfologia probelor a fost observată prin microscopie electronică (SEM).
Mai mult litiu ionMateriale pentru bateriidinTOB Energie Nouă
