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
Abstraktus
Sulfurizuotas pirolizuotas poli(akrilnitrilas) (S@pPAN) kompozitas kaip Li-S baterijos katodinė medžiaga realizuoja kietos ir kietos medžiagos konversijos reakcijos mechanizmą netirpindamas polisulfidų. Tačiau jo paviršiaus ir sąsajos charakteristikos daro didelę įtaką elektrocheminiam veikimui, o elektrocheminio ciklo metu taip pat yra akivaizdžių tūrio pokyčių. Šiame tyrime vienasieniai anglies nanovamzdeliai (SWCNT) ir natrio karboksimetilceliuliozė (CMC) buvo naudojami kaip S pPAN katodo rišiklis, siekiant reguliuoti S pPAN paviršių ir palengvinti tūrio pokyčius įkrovimo ir iškrovimo metu. Esant 2C srovės tankiui, baterijų talpos išlaikymo rodiklis po 140 ciklų buvo 84,7 proc., o didelę savitąją 1147 mAh∙g{8}} talpą vis tiek galima išlaikyti esant dideliam 7C srovės tankiui. Pridėjus SWCNT, kompozitinio rišiklio plėvelės didžiausias tempiamasis stipris padidėja 41 kartą, o kompozitinis rišiklis garantuoja stabilesnę elektrodo sąsają veikimo metu, taip efektyviai pagerindamas supaprastintų ličio-sieros baterijų ciklo stabilumą.
Raktiniai žodžiai:ličio sieros akumuliatorius, S@pPAN katodas, natrio karboksimetilceliuliozė; rišiklis, stabili sąsaja
Tradicinių ličio jonų baterijų pranašumai – paprastas paruošimo procesas ir patogus naudojimas, tačiau mažo energijos tankio (paprastai mažiau nei 250 Wh∙kg-1) ir didelių sąnaudų problemos vis dar yra ryškios. Ličio ir sieros baterijų teorinis savitasis energijos tankis yra didesnis (2600 Wh∙kg-1), todėl jos laikomos naujos kartos antrinėmis įkraunamomis baterijomis, turinčiomis didelį plėtros potencialą. Be to, elementinės sieros pranašumai yra gausios atsargos, maža kaina ir teorinė specifinė 1672 mAh·g{7}} talpa. Tačiau tradicinis elementinis sieros teigiamas elektrodas turės didelį tūrio pokytį (apie 80 procentų) ir elektrodo miltelius įkrovimo ir iškrovimo metu, todėl sutrumpės akumuliatoriaus veikimo laikas. Be to, jis generuos tirpius polisulfidus, sukeldamas šaudyklinį efektą, kuris galiausiai sukelia daugybę problemų, tokių kaip mažas aktyviųjų medžiagų panaudojimas ir prastas akumuliatoriaus ciklo stabilumas. Siekdami sumažinti šaudyklų poveikį akumuliatoriaus veikimui, mokslininkai sukūrė daug sieros pagrindu pagamintų kompozitinių katodinių medžiagų, kad pagerintų ličio ir sieros baterijų veikimą. Tokios kaip anglies ir sieros kompozitinės medžiagos, laidžiai polimerai ir kompozicinės medžiagos, sudarytos iš metalų oksidų ir sieros. Viensieniai anglies nanovamzdeliai (SWCNT) yra bendrosios paskirties priedas, turintis mažo tankio, lengvo svorio ir gero elektros laidumo privalumus. Šiame tyrime natrio karboksimetilceliuliozė buvo modifikuota pridedant SWCNT, kad būtų padidintas rišiklio kietumas ir didžiausias tempiamasis stiprumas. Šio sudėtinio rišiklio (žymimo SCMC) naudojimas ličio sieros akumuliatoriuose, kurių katodo medžiaga yra S@pPAN, gali žymiai pagerinti baterijos ciklo stabilumą.
Eksperimentinis metodas
1.1 Medžiagos paruošimas
Pasverkite tam tikrą kiekį poliakrilnitrilo (Mw{{0}}.5×105, Aldrich) ir elementinės sieros masės santykiu 1:8, kaip dispergatorių įpilkite atitinkamą kiekį absoliutaus etanolio ir tolygiai išmaišykite sandariame agato rutulinio malūno indelyje. Po 6 valandų rutulinio malimo jis džiovinamas aukštakrosnėje 60 laipsnių temperatūroje. Po džiovinimo blokų mišinį gerai sumalkite. Tada tam tikras kiekis sumaišytų miltelių buvo pasveriamas ir dedamas į kvarcinę valtį, o temperatūra vamzdinėje krosnyje, apsauginėje azoto atmosferoje, pakelta iki 300 laipsnių ir palaikoma 6,5 valandos, kad būtų gauti S@pPAN juodi milteliai, kurių sieros masės dalis yra 41 proc. Į mėginio buteliuką pasverkite 20 mg SWCNT ir įpilkite 0,5 mg·mL-1 natrio dodecilbenzensulfonato (SDBS). Po 10 valandų ultragarsinio apdorojimo CMC (Mw=7×105, Aldrich) buvo pridėta prie SWCNT suspensijos (CMC ir SWCNT masės santykis buvo 2:1) ir maišomas 2 valandas, kad gautųsi SCMC, o jo kietosios masės dalis yra 1 proc. Ištirpinkite CMC dejonizuotame vandenyje, CMC masės dalis yra 1 proc., o mėginys pažymėtas kaip CMCP.
1.2 Elektrodo paruošimas ir akumuliatoriaus surinkimas
S@pPAN, Super P ir surišimo suspensija (SCMC arba CMCP) buvo pasverti pagal masės santykį 8:1:1. Įdėkite jį į politetrafluoretileno talpą rutuliniam malimui 2 valandoms ir surištos suspensijos masė apskaičiuojama pagal kietosios fazės komponento masę. Suspensija buvo padengta ant anglimi dengtos aliuminio folijos plėvelės aplikatoriumi, o išdžiovinus kambario temperatūroje mikrotomu supjaustoma ϕ12 mm diskais ir 6 valandas džiovinama aukštakrosnėje 70 laipsnių temperatūroje. Po išankstinio džiovinimo stulpelis buvo apdorojamas planšetiniu presu, esant 12 MPa slėgiui, siekiant sumažinti stulpelio storį ir padidinti stulpo tankio tankį, o po to toliau 6 valandas džiovinti vakuume 70 laipsnių temperatūroje. Vakuuminės krosnelės temperatūrai nukritus iki kambario temperatūros, stulpelis greitai buvo perkeltas į pirštinių dėžutę sverti ir atidėtas. Šio tyrimo metu aktyviosios medžiagos apkrova katodo ploto vienetui yra apie 0,6 mg∙cm{14}}. Elektrodai, pagrįsti SCMC ir CMCP, yra atitinkamai pažymėti kaip S@pPAN/SCMC ir S@pPAN/CMC.
1.3 Elektrocheminio veikimo bandymas
2016- tipo mygtukų baterija buvo surinkta teigiamo elektrodo korpuso, teigiamo elektrodo lakšto, separatoriaus ir ličio lakšto eilės tvarka. Elektrolitas yra 1 mol L-1 LiPF6 etileno karbonato (EC)/dimetilkarbonato (DMC) (tūrio santykis 1:1) tirpalas ir masės dalis 10 procentų fluoretileno karbonato (10 procentų FEC). Diafragma yra polietileno (PE) diafragma.
Naudokite „Xinwei“ akumuliatoriaus testavimo sistemą, kad atliktumėte nuolatinės srovės įkrovimo ir iškrovimo bandymus su surinktomis baterijomis. Prieš važiuojant dviračiu, akumuliatoriui buvo leista stovėti 4 valandas, kad elektrolitas visiškai įsiskverbtų į separatorių ir elektrodus. Įkrovimo-iškrovimo ribinė įtampa svyravo nuo 1.0 iki 3.0 V, o važiuojant dviračiu buvo palaikoma pastovi 25 laipsnių temperatūra. Ilgalaikio ciklo bandymas buvo atliktas esant 2C srovės tankiui, o akumuliatoriaus greitis buvo išbandytas esant 0.5C, 1C, 3C, 5C ir 7C srovės tankiui. Ciklinė voltamperometrija (CV) buvo atlikta CHI 760E elektrocheminėje darbo vietoje su 1 mV s-1 skenavimo sparta. Specifinė talpa apskaičiuojama pagal aktyvųjį komponentą sierą.
1.4 Fizinių savybių apibūdinimas
Ličio lakštų paviršiaus elementams analizuoti po akumuliatoriaus ciklo buvo naudojama rentgeno fotoelektroninė spektroskopija (XPS), o mėginio paruošimas buvo baigtas pirštinių dėžėje. S@pPAN medžiagos XRD spektras buvo išbandytas rentgeno spindulių difraktometru (XRD).
Klijų įtempių ir deformacijų kreivė buvo išbandyta dinaminiu termomechaniniu analizatoriumi (DMA Q850). Mėginio paruošimo procesas yra toks: užlašinkite CMCP ir SCMC ant plokščios ir švarios politetrafluoretileno plokštės paviršiaus, 8 valandoms įdėkite į 55 laipsnių karščio krosnį, kad susidarytų plėvelė, ir supjaustykite juostelėmis, kad būtų galima išbandyti, atitinkamai žymimas CMC plėvele ir SCMC membrana.
Cikliniai elektrodai buvo tris kartus plaunami atitinkamu DMC tirpiklio kiekiu pirštinių dėžėje, kad pašalintų elektrolito likučius ant paviršiaus, ir natūraliai išdžiovinti. Mėginių morfologija buvo stebima elektroniniu mikroskopu (SEM).
Daugiau ličio jonųBaterijų medžiagosišTOB Nauja energija
