LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Rugalmas kötőanyag S@pPAN katód lítium kén akkumulátorhoz. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303
Absztrakt
A kéntelen pirolizált poli(akrilnitril) (S@pPAN) kompozit a Li-S akkumulátor katódanyagaként szilárd-szilárd konverziós reakciót valósít meg a poliszulfidok feloldódása nélkül. Felületi és határfelületi jellemzői azonban jelentősen befolyásolják az elektrokémiai teljesítményt, és az elektrokémiai ciklus során nyilvánvaló térfogatváltozások is vannak. Ebben a vizsgálatban egyfalú szén nanocsöveket (SWCNT) és nátrium-karboxi-metil-cellulózt (CMC) használtak kötőanyagként az S pPAN katódhoz, hogy szabályozzák az S@pPAN felületét, és enyhítsék a térfogatváltozásokat a töltés és kisütés során. 2C áramsűrűség mellett az akkumulátorok kapacitásmegtartási aránya 140 ciklus után 84,7 százalék volt, és a nagy, 1147 mAh∙g{8}} fajlagos kapacitás továbbra is fenntartható magas, 7C-os áramsűrűség mellett. A kompozit kötőanyag fóliájának végső szakítószilárdsága SWCNT hozzáadása után 41-szeresére nő, és a kompozit kötőanyag stabilabb elektródfelületet garantál működés közben, ezáltal hatékonyan javítja az összeállított lítium-kén akkumulátorok ciklusstabilitását.
Kulcsszavak:lítium-kén akkumulátor, S@pPAN katód, nátrium-karboxi-metil-cellulóz; kötőanyag, stabil felület
A hagyományos lítium-ion akkumulátorok előnyei az egyszerű előkészítési folyamat és a kényelmes használat, de az alacsony energiasűrűség (általában kevesebb, mint 250 Wh∙kg-1) és a magas költségek továbbra is szembetűnőek. A lítium-kén akkumulátorok elméleti fajlagos energiasűrűsége magasabb (2600 Wh∙kg-1), és a nagy fejlesztési potenciállal rendelkező másodlagos újratölthető akkumulátorok következő generációjának tekinthetők. Ezenkívül az elemi kén előnye a bőséges tartalék, az alacsony költség és a 1672 mAh·g{7}} elméleti fajlagos kapacitása. A hagyományos elemi kén pozitív elektróda azonban nagy térfogatváltozást (körülbelül 80 százalékot) és elektróda porosodását okozza a töltési és kisütési folyamat során, ami az akkumulátor élettartamának lerövidülését eredményezi. És oldható poliszulfidokat hoz létre, ami ingahatást eredményez, ami végül egy sor olyan problémához vezet, mint például az aktív anyagok alacsony felhasználása és az akkumulátor rossz ciklusstabilitása. Annak érdekében, hogy csökkentsék a transzfer hatásának az akkumulátor teljesítményére gyakorolt hatását, a kutatók számos kénalapú kompozit katódanyagot fejlesztettek ki a lítium-kén akkumulátorok teljesítményének javítására. Ilyenek a szén-kén kompozit anyagok, vezetőképes polimerek és fém-oxidokból és kénből képzett kompozit anyagok. Az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT) egy általános célú adalékanyag, amelynek előnyei az alacsony sűrűség, a könnyű súly és a jó elektromos vezetőképesség. Ebben a vizsgálatban a nátrium-karboxi-metil-cellulózt SWCNT hozzáadásával módosították a kötőanyag szívósságának és végső szakítószilárdságának növelése érdekében. Ennek az összetett kötőanyagnak (SCMC-ként jelölve) alkalmazása S@pPAN katódanyagot tartalmazó lítium-kén akkumulátorokban jelentősen javíthatja az akkumulátor ciklusstabilitását.
Kísérleti módszer
1.1 Anyag előkészítés
Mérjünk ki bizonyos mennyiségű poliakrilnitrilt (Mw{{0}},5×105, Aldrich) és elemi ként 1:8 tömegaránynak megfelelően, adjunk hozzá megfelelő mennyiségű abszolút etanolt diszpergálószerként, és keverjük egyenletesen egy lezárt achát golyósmalom tégelyben. 6 órás golyós őrlés után 60 fokos kemencében szárítottuk. Száradás után a tömbkeveréket jól ledaráljuk. Ezután bizonyos mennyiségű kevert port lemértünk és kvarccsónakba helyeztük, majd csőkemencében nitrogénvédő atmoszféra alatt 300 fokra emeltük a hőmérsékletet, és 6,5 órán át tartottuk, így 41 százalékos kéntömegű S@pPAN fekete port kaptunk. Mérjünk be 20 mg SWCNT-t egy mintaüvegbe, majd adjunk hozzá 0,5 mg·mL-1 nátrium-dodecilbenzolszulfonátot (SDBS). 10 órás ultrahangos kezelés után CMC-t (Mw=7×105, Aldrich) adtunk az SWCNT szuszpenzióhoz (a CMC és az SWCNT tömegaránya 2:1 volt), és 2 órán át kevertük, hogy SCMC-t kapjunk, és szilárdanyag-tartalma tömeghányada 1 százalék. Ezenkívül a CMC-t a CMC-t pontosan ugyanazt használják, mint a fenti kísérletben. Oldja fel a CMC-t ioncserélt vízben, a CMC tömeghányada 1 százalék, és a mintát CMCP-vel jelöljük.
1.2 Elektróda előkészítés és akkumulátor összeszerelés
Az S@pPAN-t, a Super P-t és a kötőszuszpenziót (SCMC vagy CMCP) lemértük a 8:1:1 tömegarány szerint. Politetrafluoretilén tartályba tesszük golyós őrléshez 2 órára, és a megkötött zagy tömegét a szilárd fázisú komponens tömege alapján számítjuk ki. A szuszpenziót a szénnel bevont alufóliára filmfelhordóval vontuk be, majd szobahőmérsékleten történő szárítás után mikrotommal ϕ12 mm-es korongokra vágtuk, és 7 0 fokon sugárkemencében 6 órán át szárítottuk. Előszárítás után a pólusdarabot tablettapréssel 12 MPa nyomáson feldolgoztuk, hogy csökkentsük a pólusdarab vastagságát és növeljük a pólusdarab tömörítési sűrűségét, majd vákuumszárítással 70 fokon 6 órán át folytatjuk. Miután a vákuumkemencében a hőmérséklet szobahőmérsékletre csökkent, a rúddarabot gyorsan átvittük a kesztyűtartóba mérlegre, és félretettük. Ebben a vizsgálatban a katód egységnyi területére eső aktív anyagterhelés körülbelül 0,6 mg∙cm{14}}. Az SCMC-n és CMCP-n alapuló elektródákat S@pPAN/SCMC, illetve S@pPAN/CMC-ként jelöljük.
1.3 Elektrokémiai teljesítményteszt
A 2016- típusú gombelemet pozitív elektródaház, pozitív elektródalap, elválasztó és lítiumlap sorrendjében állítottuk össze. Az elektrolit 1 mol L-1 LiPF6 etilén-karbonát (EC)/dimetil-karbonát (DMC) (térfogatarány 1:1) oldat plusz 10 százalékos fluor-etilén-karbonát (10 százalék FEC) tömegarány. A membrán polietilén (PE) membrán.
Használja a Xinwei akkumulátorteszt rendszert az állandó áram töltési és kisütési tesztek elvégzéséhez az összeszerelt akkumulátorokon. Az akkumulátort 4 órán át állni hagytuk, mielőtt ciklusba kezdené, hogy az elektrolit teljesen beszivárogjon a szeparátorba és az elektródákba. A töltési-kisütési feszültség 1.0 és 3.0 V között mozgott, és a kerékpározás során állandó 25 fokos hőmérsékletet tartottak. A hosszú távú ciklustesztet 2C áramsűrűséggel, az akkumulátor sebességi teljesítményét pedig 0.5C, 1C, 3C, 5C és 7C áramsűrűséggel tesztelték. A ciklikus voltammetriát (CV) egy CHI 760E elektrokémiai munkaállomáson végeztük 1 mV s-1 pásztázási sebességgel. A fajlagos kapacitást a kén aktív komponense alapján számítják ki.
1.4 Fizikai tulajdonságok jellemzése
Röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS) elemezték a lítium lemezek felületi elemeit akkumulátoros ciklus után, és a minta előkészítését kesztyűtartóban fejezték be. Az SpPAN anyag XRD spektrumát röntgendiffraktométerrel (XRD) vizsgáltuk.
A ragasztó feszültség-nyúlás görbéjét dinamikus termomechanikus analizátorral (DMA Q850) teszteltük. A minta-előkészítés menete a következő: cseppentsünk CMCP-t és SCMC-t egy lapos és tiszta politetrafluor-etilén lemez felületére, tegyük 55 fokos kemencébe 8 órára, hogy filmet képezzenek, majd teszteléshez vágjuk csíkokra, melyeket CMC filmnek, illetve SCMC membránnak nevezünk.
A ciklusos elektródákat háromszor mostuk megfelelő mennyiségű DMC oldószerrel kesztyűtartóban, hogy eltávolítsuk a felületről a maradék elektrolitot, majd természetesen szárítjuk. A minták morfológiáját elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk.
Még több lítium-ionAkkumulátor anyagoktól tőlTOB Új Energia
