Legante flessibile per catodo S@pPAN di batterie al litio-zolfo - Parte 2

Legante flessibile per catodo S@pPAN di batterie al litio-zolfo - Parte 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Legante flessibile per catodo S@pPAN di batterie litio-zolfo. Giornale dei materiali inorganici, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Proprietà fisiche Caratterizzazione

Le forme di zolfo esistenti nel S@pPAN i materiali sono stati studiati da XRD. Nei compositi, lo zolfo intercalato può essere minuscole particelle con una dimensione inferiore a 10 nanometri, anche a livello molecolare livello, formando compositi amorfi. Il picco caratteristico a 2θ=25,2° pollici La Figura 1 corrisponde al piano del cristallo grafitizzato (002), e non è presente il n picco di diffrazione dello zolfo nel composito, che indica che lo zolfo è amorfo in S@pPAN.

Fig. 1 XRD modello di S@pPAN

Le prove di resistenza alla trazione sono state effettuate sull'SCMC film e il film CMC rispettivamente, e sono mostrate le curve sforzo-deformazione Fig. 2. L'effetto di potenziamento degli SWCNT sulle proprietà meccaniche di compositi polimerici dipende principalmente dall’elevata efficienza di trasferimento dello stress tra SWCNT e interfacce polimeriche. Si sono formati legami chimici tra SWCNT e materiali polimerici e la coesione interfacciale del materiale composito è stato migliorato, migliorando così la capacità di trasferimento delle sollecitazioni del composito materiale. In questo studio, la resistenza alla trazione finale del composito SCMC la pellicola è stata aumentata di 41 volte. SWCNT ha anche i suoi vantaggi nel migliorare la tenacità dei materiali compositi. L'area integrale dello sforzo-deformazione la curva corrisponde alla tenacità alla frattura del materiale e all'integrale l'area della pellicola SCMC nella Figura 2 aumenta in modo significativo, indicando che la sua la resistenza alla frattura è notevolmente migliorata. Ciò è dovuto al ponte meccanismo degli SWCNT. Durante il processo di deformazione e frattura dei materiali soggetti a forze esterne, gli SWCNT nei materiali compositi possono efficacemente collegare le microfessure e ritardare la propagazione delle cricche, svolgendo un ruolo di rafforzamento.

Fig. 2 Curve sforzo-deformazione di SCMC e CMC pellicole con inserto che mostra la corrispondente curva ingrandita della pellicola CMC

Proprietà elettrochimiche

Le prestazioni del ciclo dei due gruppi di le batterie sono state testate con una densità di corrente di 2°C e la densità superficiale delle batterie il materiale attivo positivo era 0,64 mg cm-2. I risultati sono mostrati nella Figura 3. Le capacità specifiche di scarica delle due batterie sono molto vicine primi 15 cicli, e poi la capacità specifica del S@pPAN/CMC|LiPF6|Li la batteria inizia a scaricarsi rapidamente, mentre la batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li può continuano a rimanere stabili, il divario tra le due capacità specifiche di scarico gradualmente ampliato. Dopo 140 cicli, la capacità specifica di scarico del La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li è 1195,4 mAhâg-1 e la corrispondente specifica il tasso di mantenimento della capacità è dell’84,7%. Tuttavia, la capacità specifica di La batteria S@pPAN/CMC|LiPF6|Li è di soli 1012,1 mAhâg-1 e la capacità specifica il tasso di fidelizzazione è del 71,7%, molto inferiore al precedente. Il ciclo i risultati dei test sulle prestazioni mostrano che l'aggiunta di SWCNT può essere efficace migliorare la stabilità del ciclo della batteria. Il motivo è che l'eccellente le proprietà meccaniche e l'eccellente conduttività di SWCNT non solo migliorano il stabilità dell'interfaccia dell'elettrodo ma ne migliora anche l'elettronica conduttività. Rispetto ad altri leganti nella Tabella 1, la stabilità del ciclo di La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li è eccezionale, il che indica che SCMC è potente competitività nei leganti pratici per batterie al litio-zolfo.

Fig. 3 Ciclismo prestazioni di S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e S@pPAN/CMC|LiPF6|Li al tasso di 2C

Tabella 1 Confronto delle prestazioni elettrochimiche di catodi a base di zolfo con diversi leganti

L'S@pPAN con zolfo a catena corta innestato nel la struttura a scala conduttiva realizza direttamente la conversione solido-solido meccanismo di reazione, evitando la dissoluzione e lo spostamento dei polisolfuri. In per verificare che l'elettrodo S@pPAN/SCMC non contenga polisolfuro navette durante la reazione elettrochimica, è stata eseguita l'analisi XPS su anodo di litio della batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dopo 50 cicli, come mostrato in Figura 4. Lo spettro XPS mostra picchi caratteristici di elementi come ossigeno, fluoro, carbonio e fosforo, tra cui fluoro e fosforo derivano dal sale di litio residuo (LiPF6) nell'elettrolita e carbonio e ossigeno derivano da parte del solvente organico residuo. NO sull’anodo di litio sono stati rilevati picchi caratteristici legati allo zolfo, indicando che non vi è stato alcun trasferimento di dissoluzione dei polisolfuri durante il processo di carica e scarica della batteria.

Fig. 4 XPS spettro totale dell'anodo di litio per batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dopo 50 cicli alla velocità di 1C con il riquadro che mostra il corrispondente prestazioni ciclistiche per 50 cicli

La Figura 5(a, b) è la curve caratteristiche di carica e scarica dei due gruppi di batterie a il 1°, 2°, 10°, 20°, 50°, 70° e 100° ciclo alla velocità di 2°C. Lo scarico la piattaforma è una caratteristica importante che riflette il meccanismo di reazione interna di il catodo di zolfo. L'isteresi di tensione del materiale composito S@pPAN è significativo nel primo ciclo di scarica e, dopo il ciclo iniziale, il la conduttività dell'elettrodo viene migliorata, portando ad un aumento plateau della processo di scarico. Le piattaforme di scarico di S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e Le batterie S@pPAN/CMC|LiPF6|Li nel secondo ciclo sono entrambe da 1,72 V e le piattaforme di ricarica sono intorno a 2,29 V, il che è coerente con la letteratura. Le curve di carica-scarica della batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li hanno un valore elevato grado di coincidenza dal 2° ciclo al 70° ciclo, indicando che il la polarizzazione interna della batteria cambia poco durante il ciclo e il L'interfaccia elettrodo/elettrolita è molto stabile. Il corrispondente La sovrapposizione della curva di carica-scarica della batteria S@pPAN/CMC|LiPF6|Li è bassa e il il plateau di tensione della curva di carica aumenta in modo significativo. Poiché il numero di cicli aumenta, aumenta la polarizzazione interna della batteria in modo significativo, con conseguente scarsa stabilità del ciclo di S@pPAN/CMC|LiPF6|Li batteria.

Fig. 5 Scarica del cambiamento curve di (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li al tasso di 2C

La Figura 6 mostra il tasso risultati dei test sulle prestazioni di due gruppi di batterie a densità di corrente di 0,5°C, 1°C, 3°C, 5°C, 7°C e 0,5°C, rispettivamente. Non c'è nulla di significativo differenza nella capacità specifica di scarica dei due gruppi di elettrodi durante la carica e la scarica a bassa densità di corrente. Tuttavia, come l'attuale la densità aumenta, la capacità specifica reversibile del S@pPAN/CMC|LiPF6|Li la batteria sta diventando sempre più bassa e ha solo 971,8 mAhâg-1 a 7C. In questo momento, il La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li può comunque mantenere un'elevata capacità specifica di 1147 mAhâg-1, e quando la densità di corrente ritorna a 0,5°C, le capacità specifiche del due gruppi di batterie sono sostanzialmente ripristinati. Il test della performance tariffaria i risultati mostrano che la batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ha ancora una specifica elevata capacità quando viene caricato e scaricato rapidamente ad alta corrente, perché l'aggiunta di SWCNT migliora la conduttività elettronica di massa all'interno del elettrodo. Il foglio di elettrodi forma una rete conduttiva, che può disperde efficacemente la densità di corrente e lo zolfo è in pieno contatto con la struttura conduttiva formata da SWCNT durante il ciclo, lo zolfo la cinetica di conversione sulla superficie dell'elettrodo è notevolmente migliorata e il il tasso di utilizzo dello zolfo è più elevato.

Fig. 6 Tariffa prestazioni di S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Per esplorare l'effetto dell'aggiunta di SWCNT su prestazioni del catodo di zolfo, sono state eseguite prove di voltammetria ciclica i due gruppi di batterie e i risultati sono mostrati nella Figura 7 (a, b). Le curve di voltammetria ciclica hanno mostrato che i picchi redox di entrambi i gruppi di le batterie non si sono spostate in modo significativo durante i primi tre cicli. Tuttavia, la forma del picco della batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li è più nitida e il picco corrente (Ip) è maggiore, indicando che la cinetica di reazione dell'elettrodo del la batteria è migliore. Ciò è dovuto all'aggiunta di SWCNT per aumentare il conduttività dell'espansione polare, che migliora efficacemente l'elettrochimica prestazioni della batteria.

Fig. 7 CV curve di (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Al fine di analizzare ulteriormente il meccanismo del prestazioni elettrochimiche dell'elettrodo S@pPAN/SCMC, questo studio ha utilizzato il SEM osservare la morfologia superficiale dei due gruppi di elettrodo positivo pezzi dopo 100 cicli. Si può vedere dalla Figura 8(a, c) che ci sono a gran numero di crepe sulla superficie dell'elettrodo positivo S@pPAN/CMC i due gruppi di batterie e persino il fenomeno di polverizzazione visibile. Tuttavia, la struttura del catodo S@pPAN/SCMC è rimasta intatta e senza crepe evidenti apparve in superficie. Il S@pPAN sferico può essere visto dalle frecce gialle nella Figura 8(b, d). Vale la pena notare che nella Figura 8(b) si può vedere questo Gli SWCNT possono coprire efficacemente la superficie delle particelle di materiale attivo e costruire un canale di conduzione elettronica ad alta velocità per l'intero elettrodo. E il l'elettrodo può mantenere l'integrità strutturale durante il ciclo elettrochimico, il che dimostra che SWCNT può alleviare la variazione di volume durante la carica e scaricare e migliorare la stabilità meccanica dell'elettrodo.

Fico. 8 SEM immagini delle morfologie superficiali di (a, b) S@pPAN/SCMC e (c, d) S@pPAN/CMC elettrodi dopo 100 cicli

Analisi dei guasti

Al fine di verificare il meccanismo di fallimento di la batteria, la batteria è stata rimontata con l'elettrodo positivo inserito questo studio e l'elettrodo negativo, il separatore e l'elettrolita lo erano sostituito. Vale la pena notare che dopo 118 cicli del S@pPAN/CMC|LiPF6|Li batteria, la struttura dell'elettrodo positivo è crollata ed è addirittura caduta dalla batteria collettore attuale, che può essere ulteriormente confermato dal SEM. Il strutturalmente il foglio catodico S@pPAN/CMC collassato non può essere assemblato in una batteria a bottone con nuovi fogli di litio ed elettrolita. La capacità del La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li montata per la prima volta è caduta improvvisamente dopo 105 cicli ad una densità di corrente di 1C (la capacità specifica era 1286,4 mAhâg-1) e i risultati sono mostrati nella Figura 9. Dopo 122 cicli, il l'elettrolito e il foglio di litio sono stati sostituiti e la batteria a bottone è stata sostituita riassemblati, in cui il tipo e la quantità di elettrolita aggiunto erano coerenti con la prima batteria assemblata. La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li riassemblata hanno continuato a sottoporsi a test di carica e scarica nelle stesse condizioni di prova. I risultati dei test mostrano che la capacità specifica della batteria riassemblata può raggiungono 1282,6 mAhâg-1 dopo 18 cicli e la capacità specifica ritorna a 91,3% (sulla base della capacità specifica della scarica del secondo ciclo di 1405.1 mAhâg-1). Ciò conferma che la perdita di capacità della batteria è principalmente attribuita a la scarsa stabilità dell'anodo, dei dendriti e delle reazioni interfacciali che portano a aumento del consumo di elettroliti e dell'impedenza interna.

Fig. 9 Ciclismo prestazioni di S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li alla velocità di 1C in precedenza e dopo aver rimontato

Conclusione

In questo studio, un nuovo tipo di tridimensionale è stato progettato l'adesivo di rete. Aggiungendo SWCNT, la tenacità dell'adesivo è aumentato in modo significativo e il carico di rottura a trazione è aumentato a 41 volte quello del campione non modificato. La batteria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li può essere ciclato stabilmente per 140 cicli ad una densità di corrente di 2°C, la capacità specifica il tasso di ritenzione della batteria è dell'84,7% e un'elevata capacità specifica di 1147 mAhâg-1 può ancora essere mantenuto ad un'elevata densità di corrente di 7C, e c'è nessuna crepa nell'elettrodo dopo il ciclo, indicando che la combinazione di CMC e SWCNT non solo può migliorare l'effetto di legame, ma anche accelerarlo cinetica di reazione durante il processo di carica e scarica ed in modo efficace alleviare la variazione di volume dell'elettrodo positivo S@pPAN. Il legante il metodo di modifica in questo studio è semplice ed ecologico e può essere applicato non solo ai catodi delle batterie al litio-zolfo con carico elevato capacità ed elevata densità di compattazione, ma anche ad altra batteria secondaria sistemi idonei per leganti a base acqua.

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