Pengikat Fleksibel Untuk Katod S@pPAN Bateri Litium Sulfur-Bahagian 2

Pengikat Fleksibel untuk Katod S@pPAN bagi Bateri Litium Sulfur- Bahagian 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Pengikat Fleksibel untuk Katod S@pPAN Bateri Litium Sulfur. Jurnal Bahan Bukan Organik, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Pencirian Sifat Fizikal

Bentuk sulfur sedia ada dalam bahan S@pPAN telah disiasat oleh XRD. Dalam komposit, sulfur berinterkalasi mungkin zarah-zarah kecil dengan saiz kurang daripada 10 nanometer, walaupun pada tahap molekul, membentuk komposit amorf. Puncak ciri pada 2θ=25.2 darjah dalam Rajah 1 sepadan dengan satah kristal bergrafit (002), dan tiada puncak pembelauan sulfur dalam komposit, yang menunjukkan bahawa sulfur adalah amorf dalam S@pPAN.

Rajah 1 Corak XRD bagi S@pPAN

Ujian kekuatan tegangan telah dijalankan pada filem SCMC dan filem CMC masing-masing, dan lengkung tegasan-terikan ditunjukkan dalam Rajah 2. Kesan peningkatan SWCNT pada sifat mekanikal komposit polimer bergantung terutamanya pada kecekapan pemindahan tegasan yang tinggi antara SWCNT dan antara muka polimer. Ikatan kimia telah terbentuk antara bahan SWCNT dan polimer dan kesepaduan antara muka bahan komposit telah dipertingkatkan, dengan itu meningkatkan keupayaan pemindahan tegasan bahan komposit. Dalam kajian ini, kekuatan tegangan muktamad bagi filem komposit SCMC telah meningkat sebanyak 41 kali ganda. SWCNT juga mempunyai kelebihan tersendiri dalam meningkatkan keliatan bahan komposit. Luas kamiran lengkung tegasan-terikan sepadan dengan keliatan patah bahan, dan kawasan kamiran filem SCMC dalam Rajah 2 meningkat dengan ketara, menunjukkan bahawa keliatan patahnya dipertingkatkan dengan ketara. Ini disebabkan oleh mekanisme penyambungan SWCNT. Semasa proses ubah bentuk dan patah bahan yang tertakluk kepada daya luaran, SWCNT dalam bahan komposit boleh menyambungkan retakan mikro dengan berkesan dan melambatkan perambatan retak, memainkan peranan yang lebih keras.

Rajah 2 Lengkung terikan tegasan filem SCMC dan CMC dengan inset menunjukkan lengkung diperbesarkan sepadan filem CMC

Sifat elektrokimia

Prestasi kitaran kedua-dua kumpulan bateri telah diuji pada ketumpatan semasa 2C dan ketumpatan luas bahan aktif positif ialah 0.64 mg cm-2. Keputusan ditunjukkan dalam Rajah 3. Kapasiti khusus nyahcas bagi kedua-dua bateri adalah sangat rapat dalam 15 kitaran awal, dan kemudian kapasiti khusus bagi bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li mula merosot dengan cepat, manakala bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li boleh terus kekal stabil, jurang yang dicaj secara khusus melebar luas antara kedua-dua kapasiti secara berperingkat. Selepas 140 kitaran, kapasiti khusus nyahcas bagi bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ialah 1195.4 mAh∙g-1 dan kadar pengekalan kapasiti khusus yang sepadan ialah 84.7 peratus . Walau bagaimanapun, kapasiti khusus bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li hanya 1012.1 mAh∙g-1 dan kadar pengekalan kapasiti khusus ialah 71.7 peratus , yang jauh lebih rendah daripada yang sebelumnya. Keputusan ujian prestasi kitaran menunjukkan bahawa penambahan SWCNT dapat meningkatkan kestabilan kitaran bateri dengan berkesan. Sebabnya ialah sifat mekanikal yang sangat baik dan kekonduksian cemerlang SWCNT bukan sahaja meningkatkan kestabilan antara muka elektrod tetapi juga meningkatkan kekonduksian elektroniknya. Berbanding dengan pengikat lain dalam Jadual 1, kestabilan kitaran bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li adalah cemerlang, menunjukkan bahawa SCMC mempunyai daya saing yang kuat dalam pengikat bateri litium-sulfur praktikal.

Rajah 3 Persembahan berbasikal S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li pada kadar 2C

Jadual 1 Perbandingan prestasi elektrokimia katod berasaskan sulfur dengan pengikat yang berbeza

S@pPAN dengan sulfur rantai pendek yang dicantumkan dalam struktur tangga konduktif secara langsung merealisasikan mekanisme tindak balas penukaran pepejal-pejal, mengelakkan pembubaran dan pengaliran polisulfida. Untuk mengesahkan bahawa elektrod S@pPAN/SCMC tidak mempunyai pengangkut polisulfida semasa tindak balas elektrokimia, analisis XPS dilakukan pada anod litium bagi bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li selepas 50 kitaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Spektrum XPS menunjukkan puncak ciri unsur seperti oksigen, fluoforus, karbon dan daripada sisa litium yang mengandungi fosforus fluorida dan fosforus. lt (LiPF6) dalam elektrolit, dan karbon dan oksigen diperoleh daripada sebahagian daripada sisa pelarut organik. Tiada puncak ciri berkaitan sulfur dikesan pada anod litium, menunjukkan bahawa tiada pembubaran ulang-alik polisulfida semasa proses pengecasan dan nyahcas bateri.

Rajah 4 XPS jumlah spektrum anod litium untuk bateri S@pPAN/ SCMC|LiPF6|Li selepas 50 kitaran pada kadar 1C dengan inset menunjukkan prestasi kitaran yang sepadan untuk 50 kitaran

Rajah 5(a, b) ialah ciri lengkung cas dan nyahcas bagi dua kumpulan bateri pada kitaran ke-1, ke-2, ke-10, ke-20, ke-50, ke-70 dan ke-100 pada kadar 2C. Platform pelepasan adalah ciri penting yang mencerminkan mekanisme tindak balas dalaman katod sulfur. Histeresis voltan bahan komposit S@pPAN adalah ketara dalam kitaran nyahcas pertama, dan selepas kitaran awal, kekonduksian elektrod bertambah baik, yang membawa kepada peningkatan dataran tinggi dalam proses nyahcas. Platform nyahcas bagi bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li dalam kitaran kedua ialah 1.72 V, dan platform pengecasan adalah sekitar 2.29 V, yang konsisten dengan literatur. Lengkung cas-nyahcas bagi bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li mempunyai tahap kebetulan yang tinggi dari kitaran ke-2 hingga kitaran ke-70, menunjukkan bahawa polarisasi dalaman bateri berubah sedikit semasa kitaran, dan antara muka elektrod/elektrolit adalah sangat stabil. Lengkung cas-nyahcas bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yang sepadan adalah rendah, dan dataran tinggi voltan lengkung cas meningkat dengan ketara. Apabila bilangan kitaran bertambah, polarisasi dalaman bateri meningkat dengan ketara, mengakibatkan kestabilan kitaran yang lemah bagi bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li.

Rajah 5 Keluk caj-nyahcas (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li pada kadar 2C

Rajah 6 menunjukkan keputusan ujian prestasi kadar bagi dua kumpulan bateri pada ketumpatan semasa 0.5C, 1C, 3C, 5C, 7C dan 0.5C, masing-masing. Tiada perbezaan ketara dalam kapasiti khusus nyahcas kedua-dua kumpulan elektrod apabila mengecas dan menyahcas pada ketumpatan arus yang rendah. Walau bagaimanapun, apabila ketumpatan semasa meningkat, kapasiti khusus boleh balik bagi bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li semakin rendah dan ia hanya 971.8 mAh∙g-1 pada 7C. Pada masa ini, bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li masih boleh mengekalkan kapasiti khusus yang tinggi sebanyak 1147 mAh∙g-1, dan apabila ketumpatan semasa kembali kepada 0.5C, kapasiti khusus kedua-dua kumpulan bateri pada dasarnya dipulihkan. Keputusan ujian prestasi kadar menunjukkan bahawa bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li masih mempunyai kapasiti khusus yang tinggi apabila ia dicas dan dinyahcas dengan cepat pada arus yang tinggi, kerana penambahan SWCNT meningkatkan kekonduksian elektronik pukal di dalam elektrod. Lembaran elektrod membentuk rangkaian konduktif, yang boleh menyebarkan ketumpatan arus dengan berkesan, dan sulfur berada dalam hubungan penuh dengan rangka kerja konduktif yang dibentuk oleh SWCNT semasa kitaran, kinetik penukaran sulfur pada permukaan elektrod bertambah baik dengan ketara, dan kadar penggunaan sulfur lebih tinggi.

Rajah 6 Prestasi kadar S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Untuk meneroka kesan penambahan SWCNT pada prestasi katod sulfur, ujian voltammetri kitaran telah dilakukan pada dua kumpulan bateri, dan keputusan ditunjukkan dalam Rajah 7(a, b). Keluk voltammetri kitaran menunjukkan bahawa puncak redoks kedua-dua kumpulan bateri tidak berubah dengan ketara semasa tiga kitaran pertama. Walau bagaimanapun, bentuk puncak bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li lebih tajam dan arus puncak (Ip) lebih besar, menunjukkan bahawa kinetik tindak balas elektrod bateri adalah lebih baik. Ini disebabkan oleh penambahan SWCNT untuk meningkatkan kekonduksian bahagian tiang, yang secara berkesan meningkatkan prestasi elektrokimia bateri.

Rajah 7 lengkung CV bagi (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Bagi menganalisis lebih lanjut mekanisme prestasi elektrokimia elektrod S@pPAN/SCMC, kajian ini menggunakan SEM untuk memerhati morfologi permukaan kedua-dua kumpulan kepingan elektrod positif selepas 100 kitaran. Ia boleh dilihat daripada Rajah 8(a, c) bahawa terdapat sejumlah besar keretakan pada permukaan elektrod positif S@pPAN/CMC dalam dua kumpulan bateri, dan juga fenomena serbuk yang boleh dilihat. Walau bagaimanapun, struktur katod S@pPAN/SCMC kekal utuh, dan tiada keretakan yang jelas kelihatan di permukaan. S@pPAN sfera boleh dilihat pada anak panah kuning dalam Rajah 8(b, d). Perlu diingat bahawa dalam Rajah 8(b), dapat dilihat bahawa SWCNT dapat menutup permukaan zarah bahan aktif dengan berkesan dan membina saluran pengaliran elektron berkelajuan tinggi untuk keseluruhan elektrod. Dan elektrod boleh mengekalkan integriti struktur semasa kitaran elektrokimia, yang membuktikan bahawa SWCNT boleh mengurangkan perubahan volum semasa cas dan nyahcas dan meningkatkan kestabilan mekanikal elektrod.

Rajah 8 imej SEM bagi morfologi permukaan (a, b) S@pPAN/ SCMC dan (c, d) elektrod S@pPAN/CMC selepas 100 kitaran

Analisis kegagalan

Untuk mengesahkan mekanisme kegagalan bateri, bateri telah dipasang semula dengan elektrod positif berkitar dalam kajian ini, dan elektrod negatif, pemisah, dan elektrolit telah diganti. Perlu diingat bahawa selepas 118 kitaran bateri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li, struktur elektrod positif runtuh dan malah jatuh dari pengumpul semasa, yang boleh disahkan lagi oleh SEM. Lembaran katod S@pPAN/CMC yang runtuh secara struktur tidak boleh dipasang ke dalam bateri butang dengan kepingan litium dan elektrolit baharu. Kapasiti bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yang dipasang buat kali pertama menurun secara tiba-tiba selepas 105 kitaran pada ketumpatan arus 1C (kapasiti khusus ialah 1286.4 mAh∙g-1), dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 9. Selepas 122 kitaran, elektrolit, butang elektrolit dan lembaran ditambah dengan jenis yang konsisten telah digantikan dalam elektrolit, dan kepingan litium. dengan bateri yang dipasang pertama. Bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yang dipasang semula terus menjalani ujian pengecasan dan nyahcas di bawah keadaan ujian yang sama. Keputusan ujian menunjukkan bahawa kapasiti khusus bateri yang dipasang semula boleh mencapai 1282.6 mAh∙g-1 selepas 18 kitaran dan kapasiti khusus pulih kepada 91.3 peratus (berdasarkan kapasiti khusus nyahcas kitaran kedua sebanyak 1405.1 mAh∙g-1). Ini mengesahkan bahawa kehilangan kapasiti bateri disebabkan terutamanya oleh kestabilan anod, dendrit dan tindak balas antara muka yang lemah yang membawa kepada penggunaan elektrolit dan peningkatan impedans dalaman.

Rajah 9 Prestasi berbasikal S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li pada kadar 1C sebelum dan selepas dipasang semula

Kesimpulan

Dalam kajian ini, jenis baru pelekat rangkaian tiga dimensi telah direka bentuk. Dengan menambah SWCNT, keliatan pelekat meningkat dengan ketara, dan kekuatan tegangan muktamad meningkat kepada 41 kali ganda daripada sampel yang tidak diubah suai. Bateri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li boleh dikitar secara stabil selama 140 kitaran pada ketumpatan arus 2C, kadar pengekalan kapasiti khusus bateri ialah 84.7 peratus , dan kapasiti khusus tinggi 1147 mAh∙g-1 masih boleh dikekalkan pada ketumpatan arus tinggi iaitu 7C dan gabungan SWC, dan ketumpatan arus yang tinggi iaitu 7C dan SWC tidak ada di dalam S. NT bukan sahaja boleh meningkatkan kesan ikatan, tetapi juga mempercepatkan kinetik tindak balas semasa proses cas dan nyahcas, dan dengan berkesan mengurangkan perubahan volum elektrod positif S@pPAN. Kaedah pengubahsuaian pengikat dalam kajian ini adalah mudah dan mesra alam, dan boleh digunakan bukan sahaja untuk katod bateri litium-sulfur dengan kapasiti pemuatan tinggi dan ketumpatan pemadatan tinggi, tetapi juga untuk sistem bateri sekunder lain yang sesuai untuk pengikat berasaskan air.

Lebih banyak ion LitiumBahan BateridaripadaTenaga Baru TOB