ЛИ Тингтинг, ЗХАНГ Ианг, ЦХЕН Јиаханг, МИН Иулин, ВАНГ Јиулин. Флексибилно везиво за С@пПАН катоду литијум сумпорне батерије. Часопис за неорганске материјале, 2022, 37(2): 182-188 ДОИ:10.15541/јим20210303
Апстрактан
Сумпоризовани пиролизовани поли(акрилонитрил) (С@пПАН) композит као катодни материјал Ли-С батерије остварује механизам реакције чврстог-чврстог без растварања полисулфида. Међутим, карактеристике његове површине и интерфејса значајно утичу на електрохемијске перформансе, а такође су очигледне промене запремине током електрохемијског циклуса. У овој студији, угљеничне наноцеви са једним зидом (СВЦНТ) и натријум карбоксиметил целулоза (ЦМЦ) коришћене су као везиво за С@пПАН катоду да би се регулисала површина С@пПАН-а и ублажиле промене запремине током пуњења и пражњења. При густини струје од 2Ц, стопа задржавања капацитета батерија након 140 циклуса била је 84,7 процената, а висок специфични капацитет од 1147 мАх∙г-1 и даље се може одржавати при високој густини струје од 7Ц. Крајња затезна чврстоћа филма композитног везива повећава се за 41 пут након додавања СВЦНТ-а, а композитно везиво гарантује стабилнији интерфејс електроде током рада, чиме се ефикасно побољшава стабилност циклуса склопљених литијум-сумпорних батерија.
Кључне речи:литијум-сумпорна батерија, С@пПАН катода, натријум карбоксиметил целулоза; везиво, стабилан интерфејс
Традиционалне литијум-јонске батерије имају предности једноставног процеса припреме и згодне употребе, али су проблеми ниске густине енергије (углавном мање од 250 Вх∙кг-1) и високе цене и даље истакнути. Литијум-сумпорне батерије имају већу теоријску специфичну густину енергије (2600 Вх∙кг-1), и сматрају се следећом генерацијом секундарних пуњивих батерија са великим развојним потенцијалом. Штавише, елементарни сумпор има предности обилних резерви, ниске цене и теоријског специфичног капацитета од 1672 мАх·г-1. Међутим, традиционална позитивна електрода са елементарним сумпором ће имати велику промену запремине (око 80 процената) и прах електроде током процеса пуњења и пражњења, што ће резултирати скраћеним трајањем батерије. Такође ће генерисати растворљиве полисулфиде, што ће резултирати ефектом шатла, што на крају доводи до низа проблема као што су ниско коришћење активних материјала и лоша стабилност циклуса батерије. Да би смањили утицај ефекта шатла на перформансе батерија, истраживачи су развили многе композитне катодне материјале на бази сумпора како би побољшали перформансе литијум-сумпорних батерија. Као што су композитни материјали угљеник-сумпор, проводљиви полимери и композитни материјали формирани од металних оксида и сумпора. Угљене наноцеви са једним зидом (СВЦНТ) су адитив опште намене са предностима мале густине, мале тежине и добре електричне проводљивости. У овој студији, натријум карбоксиметил целулоза је модификована додавањем СВЦНТ да би се побољшала жилавост и крајња затезна чврстоћа везива. Примена овог композитног везива (означеног као СЦМЦ) у литијум-сумпорним батеријама са С@пПАН као катодним материјалом може значајно побољшати стабилност циклуса батерије.
Експериментална метода
1.1 Припрема материјала
Измерити одређену количину полиакрилонитрила (Мв{{0}}.5×105, Алдрицх) и елементарног сумпора у масеном односу 1:8, додати одговарајућу количину апсолутног етанола као дисперзанта и равномерно их измешати у затвореној посуди за млин од ахата. Након 6 сати млевења, осушена је у високој пећи на 60 степени. Након сушења, добро измрвите мешавину блокова. Затим је одређена количина измешаног праха извагана и стављена у кварцни чамац, а температура је подигнута на 300 степени у цевној пећи у заштитној атмосфери азота и држана 6,5 х да би се добио С@пПАН црни прах са масеним уделом сумпора од 41 одсто. Измерити 20 мг СВЦНТ у боцу за узорак, а затим додати 0,5 мг·мЛ-1 натријум додецилбензенсулфоната (СДБС). После ултразвучног третмана у трајању од 10 сати, ЦМЦ (Мв=7}×105, Алдрицх) је додат у СВЦНТ суспензију (однос масе ЦМЦ и СВЦНТ је био 2:1) и мешан 2 сата да би се добио СЦМЦ, а његов масени удео чврстог садржаја је 1 проценат. Поред тога, ЦМЦ се користи као контрола у истом експерименту без ЦМЦ. Растворити ЦМЦ у дејонизованој води, масени удео ЦМЦ је 1 проценат, а узорак је означен као ЦМЦП.
1.2 Припрема електроде и склоп батерије
С@пПАН, Супер П и суспензија за везивање (СЦМЦ или ЦМЦП) су измерени у односу на масе од 8:1:1. Ставите га у политетрафлуороетиленски резервоар за млевење куглица на 2 сата, а маса везане суспензије се израчунава према маси компоненте чврсте фазе. Суспензија је обложена угљеником обложеном алуминијумском фолијом помоћу филмског апликатора, а након сушења на собној температури, микротомом је исечена на дискове ϕ12 мм и сушена у високој пећи на 70 степени 6 сати. Након претходног сушења, стуб је обрађен пресом за таблете под притиском од 12 МПа да би се смањила дебљина стуба и повећала густина сабијања стуба, а затим се наставило са сушењем у вакууму на 70 степени током 6 сати. Након што је температура вакуум пећи пала на собну температуру, стуб је брзо пребачен у претинац за рукавице ради вагања и остављен на страну. Оптерећење активног материјала по јединици површине катоде у овој студији је око 0,6 мг∙цм-2. Електроде засноване на СЦМЦ и ЦМЦП су означене као С@пПАН/СЦМЦ и С@пПАН/ЦМЦ, респективно.
1.3 Испитивање електрохемијских перформанси
Дугмаста батерија типа 2016- састављена је по редоследу кућишта позитивне електроде, листа позитивне електроде, сепаратора и литијумске плоче. Електролит је раствор 1 мол Л-1 ЛиПФ6 етилен карбоната (ЕЦ)/диметил карбоната (ДМЦ) (запремински однос 1 : 1) плус масени удео 10 процената флуороетилен карбоната (10 процената ФЕЦ). Дијафрагма је полиетиленска (ПЕ) дијафрагма.
Користите Ксинвеи систем за тестирање батерија да бисте спровели тестове пуњења и пражњења са константном струјом на састављеним батеријама. Батерија је остављена да стоји 4 х пре циклуса да би се у потпуности инфилтрирала електролитом у сепаратор и електроде. Прекидни напон пуњења и пражњења кретао се од 1.0 до 3.0 В, а константна температура од 25 степени је одржавана током циклуса. Тест дуготрајног циклуса је спроведен при густини струје од 2Ц, а перформансе батерије су тестиране на 0.5Ц, 1Ц, 3Ц, 5Ц и 7Ц густине струје. Циклична волтаметрија (ЦВ) је изведена на ЦХИ 760Е електрохемијској радној станици са брзином скенирања од 1 мВ с-1. Специфични капацитет се израчунава на основу активне компоненте сумпора.
1.4 Карактеризација физичких својстава
Рендген фотоелектронска спектроскопија (КСПС) је коришћена за анализу површинских елемената литијумских плоча након циклуса батерије, а припрема узорка је завршена у претинцу за рукавице. КСРД спектар материјала С@пПАН је тестиран рендгенским дифрактометром (КСРД).
Крива напон-деформација лепка је тестирана динамичким термомеханичким анализатором (ДМА К850). Процес припреме узорка је следећи: испустите ЦМЦП и СЦМЦ на површину равне и чисте политетрафлуороетиленске плоче, ставите у пећницу на 55 степени током 8 х да се формира филм и исеците на траке за тестирање, означене као ЦМЦ филм и СЦМЦ мембрана.
Електроде са циклусом су опране три пута са одговарајућом количином ДМЦ растварача у претинцу за рукавице да би се уклонио заостали електролит на површини и осушене природним путем. Морфологија узорака је посматрана електронском микроскопом (СЕМ).
Више литијум јонаМатеријали за батеријеизТОБ Нова енергија
