Lankstus rišiklis S@pPAN ličio sieros baterijos katodui, 2 dalis

Lankstus rišiklis S@pPAN ličio sieros baterijos katodui – 2 dalis

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Lankstus S@pPAN ličio sieros katodo rišiklis. Neorganinių medžiagų žurnalas, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Fizinių savybių apibūdinimas

Esamos sieros formos S@pPAN medžiagose buvo ištirtos XRD. Kompozituose įsiterpusi siera gali būti mažos dalelės, kurių dydis mažesnis nei 10 nanometrų, net ir molekuliniu lygiu, sudarydamos amorfinius kompozitus. Būdinga smailė ties 2θ=25.2 laipsniu 1 paveiksle atitinka grafitizuotą kristalinę plokštumą (002), o kompozite nėra sieros difrakcijos smailės, o tai rodo, kad siera S@pPAN yra amorfinė.

1 pav. S@pPAN XRD modelis

Tempiamojo stiprio bandymai buvo atlikti atitinkamai su SCMC plėvele ir CMC plėvele, o įtempių ir deformacijų kreivės parodytos 2 pav. SWCNT pagerinimo efektas polimerinių kompozitų mechaninėms savybėms daugiausia priklauso nuo didelio įtempių perdavimo efektyvumo tarp SWCNT ir polimero sąsajų. Tarp SWCNT ir polimerinių medžiagų susidarė cheminiai ryšiai ir pagerėjo kompozitinės medžiagos sąsajos sanglauda, ​​taip padidinant kompozitinės medžiagos įtempių perdavimo galimybes. Šiame tyrime didžiausias SCMC kompozicinės plėvelės tempiamasis stipris buvo padidintas 41 kartą. SWCNT taip pat turi savų pranašumų gerindamas kompozitinių medžiagų kietumą. Integruotas įtempių ir deformacijų kreivės plotas atitinka medžiagos atsparumą lūžiams, o SCMC plėvelės vientisas plotas 2 paveiksle žymiai padidėja, o tai rodo, kad jos atsparumas lūžiams yra žymiai padidintas. Taip yra dėl SWCNT sujungimo mechanizmo. Medžiagų, kurias veikia išorinės jėgos, deformacijos ir lūžimo proceso metu kompozitinėse medžiagose esantys SWCNT gali veiksmingai sujungti mikroįtrūkimus ir sulėtinti įtrūkimų plitimą, o tai vaidina kietėjantį vaidmenį.

2 pav. SCMC ir CMC plėvelių įtempių ir deformacijų kreivės su įdėklu, rodančios atitinkamą padidintą CMC plėvelės kreivę

Elektrocheminės savybės

Dviejų grupių baterijų ciklo veikimas buvo išbandytas esant 2C srovės tankiui, o teigiamos aktyviosios medžiagos plotas buvo 0,64 mg cm-2. Rezultatai parodyti 3 paveiksle. Dviejų baterijų savitoji iškrovimo talpa yra labai artima per pirmąsias 15 ciklų, o vėliau specifinė S@pPAN/CMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus talpa pradeda sparčiai mažėti, o S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatorius gali ir toliau išlikti stabilus, o tarpas tarp dviejų plačių išsikrovimo specifinių talpų yra palaipsniui. Po 140 ciklų specifinė S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus iškrovimo talpa yra 1195,4 mAh∙g{12}}, o atitinkamas specifinės talpos išlaikymo rodiklis yra 84,7 proc. Tačiau specifinė S@pPAN/CMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus talpa yra tik 1012,1 mAh∙g-1, o specifinis talpos išlaikymo rodiklis yra 71,7 proc., tai yra daug mažesnis nei ankstesnis. Ciklo veikimo testo rezultatai rodo, kad pridėjus SWCNT galima efektyviai pagerinti akumuliatoriaus ciklo stabilumą. Priežastis ta, kad puikios mechaninės SWCNT savybės ir puikus laidumas ne tik pagerina elektrodo sąsajos stabilumą, bet ir padidina jo elektroninį laidumą. Palyginti su kitais 1 lentelėje pateiktais rišikliais, S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus ciklo stabilumas yra puikus, o tai rodo, kad SCMC turi didelį konkurencingumą praktiškuose ličio-sieros akumuliatorių rišikliuose.

3 pav. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ir S@pPAN/CMC|LiPF6|Li dviračių charakteristikos esant 2C greičiui

1 lentelė Sieros katodų su skirtingais rišikliais elektrocheminių charakteristikų palyginimas

S@pPAN su trumpos grandinės siera, įskiepyta į laidžių kopėčių struktūrą, tiesiogiai realizuoja kietos ir kietos medžiagos konversijos reakcijos mechanizmą, išvengiant polisulfidų ištirpimo ir persipylimo. Siekiant patikrinti, ar elektrocheminės reakcijos metu S@pPAN/SCMC elektrode nėra polisulfidinių šaudmenų, po 50 ciklų buvo atlikta XPS analizė su S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus ličio anodu, kaip parodyta 4 paveiksle. XPS spektras rodo būdingas elementų, tokių kaip deguonis, fluoras, fluoras ir fluoras, arba fosfatas, arba fluoras. ličio druskos (LiPF6) likutis elektrolite, o anglis ir deguonis gaunami iš likusio organinio tirpiklio dalies. Ličio anode nebuvo aptikta jokių su siera susijusių būdingų smailių, o tai rodo, kad akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo metu polisulfidų tirpimas nesiskyrė.

4 pav. Bendras XPS ličio anodo spektras S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriui po 50 ciklų esant 1C greičiui su įdėklu, parodantis atitinkamą ciklų veikimą per 50 ciklų

5 paveikslas (a, b) yra dviejų akumuliatorių grupių būdingos įkrovimo ir iškrovimo kreivės 1, 2, 10, 20, 50, 70 ir 100 ciklų 2C greičiu. Iškrovimo platforma yra svarbi savybė, atspindinti sieros katodo vidinės reakcijos mechanizmą. Kompozitinės medžiagos S@pPAN įtampos histerezė yra reikšminga pirmajame iškrovimo cikle, o po pradinio ciklo elektrodo laidumas pagerėja, todėl iškrovos procesas padidėja. Antrojo ciklo S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ir S@pPAN/CMC|LiPF6|Li baterijų iškrovimo platformos yra 1,72 V, o įkrovimo platformos yra apie 2,29 V, o tai atitinka literatūrą. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo kreivės turi didelį sutapimo laipsnį nuo 2-ojo ciklo iki 70-ojo ciklo, o tai rodo, kad vidinė akumuliatoriaus poliarizacija ciklo metu mažai kinta, o elektrodo/elektrolito sąsaja yra labai stabili. Atitinkamas S@pPAN/CMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo kreivės persidengimas yra mažas, o įkrovimo kreivės įtampos plokščiakalnis žymiai padidėja. Didėjant ciklų skaičiui, žymiai padidėja vidinė akumuliatoriaus poliarizacija, todėl S@pPAN/CMC|LiPF6|Li baterijos ciklo stabilumas yra prastas.

5 pav. (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ir (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li įkrovos ir iškrovos kreivės esant 2C greičiui

6 paveiksle parodyti dviejų baterijų grupių spartos veikimo bandymo rezultatai, kai srovės tankis yra atitinkamai 0.5C, 1C, 3C, 5C, 7C ir 0.5C. Įkraunant ir iškraunant esant mažam srovės tankiui, dviejų elektrodų grupių savitoji iškrovos talpa nesiskiria. Tačiau didėjant srovės tankiui, S@pPAN/CMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus grįžtamoji specifinė talpa vis mažėja ir yra tik 971,8 mAh∙g-1 esant 7C temperatūrai. Šiuo metu S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatorius vis dar gali išlaikyti didelę specifinę 1147 mAh∙g-1 talpą, o kai srovės tankis grįžta į 0.5C, iš esmės atkuriama specifinė dviejų akumuliatorių grupių talpa. Greičio našumo testo rezultatai rodo, kad S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatorius vis dar turi didelę specifinę talpą, kai jis greitai įkraunamas ir iškraunamas esant didelei srovei, nes pridėjus SWCNT pagerėja masinis elektroninis laidumas elektrodo viduje. Elektrodo lakštas sudaro laidų tinklą, kuris gali efektyviai išsklaidyti srovės tankį, o siera visiškai liečiasi su laidžiu karkasu, kurį ciklo metu sudaro SWCNT, žymiai pagerėja sieros konversijos kinetika ant elektrodo paviršiaus, o sieros panaudojimo greitis yra didesnis.

6 pav. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ir S@pPAN/CMC|LiPF6|Li spartos našumas

Siekiant ištirti SWCNT pridėjimo poveikį sieros katodo veikimui, buvo atlikti cikliniai voltamperometriniai bandymai su dviem baterijų grupėmis, o rezultatai parodyti 7 paveiksle (a, b). Ciklinės voltamperometrinės kreivės parodė, kad abiejų akumuliatorių grupių redokso smailės per pirmuosius tris ciklus reikšmingai nepasikeitė. Tačiau S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li akumuliatoriaus piko forma yra ryškesnė, o didžiausia srovė (Ip) yra didesnė, o tai rodo, kad akumuliatoriaus elektrodo reakcijos kinetika yra geresnė. Taip yra dėl to, kad pridėtas SWCNT, siekiant padidinti poliaus laidumą, o tai efektyviai pagerina akumuliatoriaus elektrochemines savybes.

7 pav. (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ir (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li CV kreivės

Siekiant toliau analizuoti S@pPAN / SCMC elektrodo elektrocheminio veikimo mechanizmą, šiame tyrime buvo naudojamas SEM, kad būtų galima stebėti dviejų teigiamų elektrodų dalių grupių paviršiaus morfologiją po 100 ciklų. Iš 8 (a, c) paveikslo matyti, kad S@pPAN/CMC teigiamo elektrodo paviršiuje dviejose baterijų grupėse yra daug įtrūkimų ir netgi matomas miltelių susidarymo reiškinys. Tačiau S@pPAN/SCMC katodo struktūra liko nepažeista, o paviršiuje neatsirado jokių akivaizdžių įtrūkimų. Sferinis S@pPAN matomas ties geltonomis rodyklėmis 8(b, d) pav. Verta paminėti, kad 8 (b) paveiksle matyti, kad SWCNT gali efektyviai padengti aktyvių medžiagų dalelių paviršių ir sukurti didelio greičio elektronų laidumo kanalą visam elektrodui. Ir elektrodas gali išlaikyti struktūrinį vientisumą elektrocheminio ciklo metu, o tai įrodo, kad SWCNT gali palengvinti tūrio pokyčius įkrovimo ir iškrovimo metu ir pagerinti mechaninį elektrodo stabilumą.

8 pav. (a, b) S@pPAN/SCMC ir (c, d) S@pPAN/CMC elektrodų paviršiaus morfologijos SEM vaizdai po 100 ciklų

Gedimų analizė

Siekiant patikrinti akumuliatoriaus gedimo mechanizmą, šiame tyrime baterija buvo surinkta naudojant ciklinį teigiamą elektrodą, o neigiamas elektrodas, separatorius ir elektrolitas buvo pakeisti. Verta paminėti, kad po 118 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li baterijos ciklų teigiamo elektrodo struktūra subyrėjo ir net nukrito nuo srovės kolektoriaus, o tai gali dar labiau patvirtinti SEM. Struktūriškai subyrėjusio S@pPAN/CMC katodo lakšto negalima surinkti į mygtuko bateriją su naujais ličio lakštais ir elektrolitu. Pirmą kartą surinktos S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li baterijos talpa staiga sumažėjo po 105 ciklų esant 1C srovės tankiui (specifinė talpa buvo 1286,4 mAh∙g-1), o rezultatai parodyti 9 paveiksle. Po 122 ciklų buvo pakeistas elektrolitas ir akumuliatoriaus kiekis, įdėtas ličio lakštas ir tipas. atitiko pirmą surinktą akumuliatorių. Iš naujo surinktos S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li baterijos įkrovimo ir iškrovimo bandymai ir toliau buvo atliekami tomis pačiomis bandymo sąlygomis. Bandymo rezultatai rodo, kad pakartotinai surinktos baterijos specifinė talpa gali siekti 1282,6 mAh∙g-1 po 18 ciklų, o specifinė talpa atsistato iki 91,3 proc. (remiantis specifine antrojo ciklo iškrovimo talpa – 1405,1 mAh∙g-1). Tai patvirtina, kad akumuliatoriaus talpos praradimas daugiausia susijęs su prastu anodo stabilumu, dendritais ir sąsajomis, dėl kurių sunaudojama elektrolitų ir padidėja vidinė varža.

9 pav. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li važiavimo dviračiu našumas 1C greičiu prieš ir po surinkimo

Išvada

Šiame tyrime buvo sukurti naujo tipo trimačiai tinkliniai klijai. Pridėjus SWCNT, klijų kietumas žymiai padidėjo, o didžiausias tempiamasis stipris padidėjo iki 41 karto nei nemodifikuoto mėginio. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li bateriją galima stabiliai naudoti 140 ciklų, kai srovės tankis yra 2C, akumuliatoriaus savitoji talpa yra 84,7 proc. CMC ir SWCNT gali ne tik pagerinti sukibimo efektą, bet ir pagreitinti reakcijos kinetiką įkrovimo ir iškrovimo proceso metu bei veiksmingai sušvelninti teigiamo S@pPAN elektrodo tūrio pokyčius. Šiame tyrime atliktas rišiklio modifikavimo metodas yra paprastas ir nekenksmingas aplinkai, gali būti taikomas ne tik didelės apkrovos ir didelio tankinimo tankio ličio sieros baterijų katodams, bet ir kitoms antrinėms akumuliatorių sistemoms, kurios yra tinkamos vandens pagrindu pagamintiems rišikliams.

Daugiau ličio jonųBaterijų medžiagosišTOB Nauja energija