Flexibel bindmiddel voor S@pPAN-kathode van lithiumzwavelbatterij - Deel 2

Flexibel bindmiddel voor S@pPAN-kathode van lithiumzwavelbatterij - Deel 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Flexibel bindmiddel voor S@pPAN-kathode van lithiumzwavelbatterij. Journal of Anorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Fysieke eigenschappen Karakterisering

De bestaande vormen van zwavel in de S@pPAN materialen werden onderzocht door XRD. In composieten kan de geïntercaleerde zwavel dat wel doen het zijn kleine deeltjes met een grootte van minder dan 10 nanometer, zelfs op moleculair niveau niveau, waardoor amorfe composieten worden gevormd. De karakteristieke piek bij 2θ=25,2° in Figuur 1 komt overeen met het gegrafitiseerde kristalvlak (002), en dat is er niet zwaveldiffractiepiek in het composiet, wat aangeeft dat er sprake is van zwavel amorf in S@pPAN.

Afb. 1 XRD patroon van S@pPAN

De treksterktetesten zijn uitgevoerd op de SCMC respectievelijk de CMC-film en de spanning-rek-curven worden weergegeven Fig. 2. Het versterkende effect van SWCNT's op de mechanische eigenschappen van polymeercomposieten zijn voornamelijk afhankelijk van de hoge efficiëntie van spanningsoverdracht tussen SWCNT's en polymeerinterfaces. Er werden chemische bindingen gevormd tussen SWCNT en polymeermaterialen en de grensvlakcohesie van het composietmateriaal werd verbeterd, waardoor het spanningsoverdrachtsvermogen van het composiet werd verbeterd materiaal. In deze studie wordt de ultieme treksterkte van het SCMC-composiet onderzocht film werd 41 keer vergroot. SWCNT heeft ook zijn eigen voordelen bij het verbeteren de taaiheid van composietmaterialen. Het integrale gebied van de spanning-rek curve komt overeen met de breuktaaiheid van het materiaal en de integraal Het oppervlak van de SCMC-film in figuur 2 neemt aanzienlijk toe, wat aangeeft dat dit het geval is De breuktaaiheid wordt aanzienlijk verbeterd. Dit komt door de overbrugging mechanisme van SWCNT's. Tijdens het vervormings- en breukproces van materialen onderworpen aan externe krachten, kunnen SWCNT's in composietmaterialen effectief werken verbinden microscheuren en vertragen de verspreiding van scheuren, waardoor ze een versterkende rol spelen.

Afb. 2 Spanning-rekcurven van SCMC en CMC films met inzet die de overeenkomstige vergrote curve van CMC-film toont

Elektrochemische eigenschappen

De cyclusprestaties van de twee groepen van batterijen zijn getest bij een stroomdichtheid van 2C en de oppervlaktedichtheid van de positief actief materiaal was 0,64 mg cm-2. De resultaten worden getoond in Figuur 3. De ontladingsspecifieke capaciteiten van de twee batterijen liggen zeer dicht bij elkaar initiële 15 cycli, en daarna de specifieke capaciteit van de S@pPAN/CMC|LiPF6|Li De batterij begint snel leeg te raken, terwijl de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij dat wel kan stabiel blijven, de kloof tussen de twee kwijting specifieke capaciteiten geleidelijk verbreed. Na 140 cycli is de ontladingsspecifieke capaciteit van de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij is 1195,4 mAhâg-1, en de bijbehorende specifieke het capaciteitsretentiepercentage bedraagt ​​84,7%. Echter, de specifieke capaciteit van S@pPAN/CMC|LiPF6|Li-batterij is slechts 1012,1 mAhâg-1, en de specifieke capaciteit Het retentiepercentage bedraagt ​​71,7%, wat veel lager is dan het eerste. De cyclus Uit de prestatietestresultaten blijkt dat de toevoeging van SWCNT effectief kan zijn Verbeter de cyclusstabiliteit van de batterij. De reden is dat het uitstekend is mechanische eigenschappen en uitstekende geleidbaarheid van SWCNT verbeteren niet alleen de interfacestabiliteit van de elektrode, maar verbetert ook de elektronica geleidbaarheid. Vergeleken met andere bindmiddelen in Tabel 1 is de cyclusstabiliteit van De S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij is uitstekend, wat aangeeft dat SCMC sterk is concurrentievermogen in praktische bindmiddelen voor lithium-zwavelbatterijen.

Afb. 3 Fietsen uitvoeringen van S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li en S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bij 2C-snelheid

Tabel 1 Vergelijking van de elektrochemische prestaties van kathoden op zwavelbasis met verschillende bindmiddelen

Het S@pPAN met zwavel met een korte keten geënt in de geleidende ladderstructuur realiseert direct de solide-massieve conversie reactiemechanisme, waarbij het oplossen en pendelen van polysulfiden wordt vermeden. In om te verifiëren dat de S@pPAN/SCMC-elektrode geen polysulfide bevat shuttles tijdens de elektrochemische reactie werd XPS-analyse uitgevoerd op de lithiumanode van de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij na 50 cycli, zoals weergegeven in Figuur 4. Het XPS-spectrum vertoont karakteristieke pieken van elementen zoals zuurstof, fluor, koolstof en fosfor, waaronder fluor en fosfor zijn afgeleid van het resterende lithiumzout (LiPF6) in de elektrolyt, en koolstof en zuurstof zijn afgeleid van een deel van het resterende organische oplosmiddel. Nee zwavelgerelateerde karakteristieke pieken werden gedetecteerd op de lithiumanode, wat aangeeft dat er tijdens de oplossing geen pendelbewegingen van polysulfiden plaatsvonden laad- en ontlaadproces van de batterij.

Afb. 4 XPS totaal spectrum van lithiumanode voor S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij na 50 cycli bij 1C-snelheid, waarbij de inzet de overeenkomstige waarde laat zien fietsprestaties gedurende 50 cycli

Figuur 5(a, b) is de karakteristieke laad- en ontlaadcurven van de twee groepen batterijen de 1e, 2e, 10e, 20e, 50e, 70e en 100e cyclus met een snelheid van 2C. De ontlading platform is een belangrijk kenmerk dat het interne reactiemechanisme van de zwavelkathode. De spanningshysteresis van het S@pPAN-composietmateriaal is significant in de eerste ontladingscyclus, en na de initiële cyclus, de De geleidbaarheid van de elektrode wordt verbeterd, wat leidt tot een plateautoename van de elektrode ontladingsproces. De losplatforms van S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li en S@pPAN/CMC|LiPF6|Li-batterijen in de tweede cyclus zijn beide 1,72 V, en de laadplatforms liggen rond de 2,29 V, wat consistent is met de literatuur. De laad-ontlaadcurven van de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij hebben een hoge waarde mate van toeval tussen de tweede cyclus en de zeventigste cyclus, wat aangeeft dat de de interne polarisatie van de batterij verandert weinig tijdens de cyclus, en de elektrode/elektrolyt-interface is zeer stabiel. De corresponderende S@pPAN/CMC|LiPF6|Li batterij laad-ontlaadcurve overlap is laag, en de het spanningsplateau van de laadcurve aanzienlijk stijgt. Als het aantal cycli neemt toe, de interne polarisatie van de batterij neemt toe aanzienlijk, wat resulteert in een slechte cyclusstabiliteit van de S@pPAN/CMC|LiPF6|Li batterij.

Afb. 5 Charge-ontlading curven van (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li en (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bij 2C-snelheid

Figuur 6 toont het tarief prestatietestresultaten van twee groepen batterijen bij een stroomdichtheid van 0,5C, 1C, 3C, 5C, 7C en 0,5C respectievelijk. Er is geen significante verschil in de ontladingsspecifieke capaciteit van de twee groepen elektroden bij het laden en ontladen bij een lage stroomdichtheid. Echter, zoals de huidige de dichtheid toeneemt, neemt de omkeerbare specifieke capaciteit van de S@pPAN/CMC|LiPF6|Li toe De batterij wordt steeds lager en bedraagt ​​slechts 971,8 mAhâg-1 bij 7C. Op dit moment is de De S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij kan nog steeds een hoge specifieke capaciteit behouden 1147 mAhâg-1, en wanneer de stroomdichtheid terugkeert naar 0,5C, zullen de specifieke capaciteiten van de twee groepen batterijen zijn in principe hersteld. De tariefprestatietest Uit de resultaten blijkt dat de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li accu nog steeds een hoge specificiteit heeft capaciteit wanneer het snel wordt opgeladen en ontladen met een hoge stroomsterkte, omdat de toevoeging van SWCNT's verbetert de elektronische geleidbaarheid van het grootste deel binnenin elektrode. Het elektrodevel vormt een geleidend netwerk, dat dat wel kan effectief de huidige dichtheid verspreiden, en de zwavel is volledig in contact met het geleidende raamwerk gevormd door SWCNT tijdens de cyclus, de zwavel de conversiekinetiek op het elektrodeoppervlak is aanzienlijk verbeterd, en de de benuttingsgraad van zwavel is hoger.

Afb. 6 Tarief prestaties van S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li en S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Om het effect van het toevoegen van SWCNT's op de prestaties van de zwavelkathode, werden cyclische voltammetrietests uitgevoerd de twee groepen batterijen, en de resultaten worden getoond in figuur 7(a, b). Cyclische voltammetriecurven lieten zien dat de redoxpieken van beide groepen de batterijen verschoven niet significant tijdens de eerste drie cycli. Echter, de piekvorm van de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij is scherper en de piek stroom (Ip) is groter, wat aangeeft dat de elektrodereactiekinetiek van de batterij is beter. Dit komt door de toevoeging van SWCNT om de geleidbaarheid van het poolstuk, wat de elektrochemische werking effectief verbetert prestaties van de batterij.

Afb. 7 CV curven van (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li en (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Om het mechanisme van de elektrochemische prestaties van de S@pPAN/SCMC-elektrode, deze studie maakte gebruik van SEM om de oppervlaktemorfologie van de twee groepen positieve elektrodes te observeren stuks na 100 cycli. Uit figuur 8(a, c) blijkt dat er a zijn groot aantal scheuren op het oppervlak van de S@pPAN/CMC positieve elektrode in de twee groepen batterijen, en zelfs een zichtbaar poederverschijnsel. Echter, de structuur van de S @pPAN/SCMC-kathode bleef intact en er waren geen duidelijke scheuren verscheen aan de oppervlakte. De bolvormige S@pPAN is te zien bij de gele pijlen in figuur 8(b, d). Het is de moeite waard om op te merken dat dit in figuur 8(b) te zien is SWCNT's kunnen het oppervlak van actieve materiaaldeeltjes effectief bedekken en opbouwen een snel elektronengeleidingskanaal voor de gehele elektrode. En de elektrode kan structurele integriteit behouden tijdens elektrochemische cycli, wat bewijst dat SWCNT de volumeverandering tijdens het opladen kan verlichten ontlaad en verbeter de mechanische stabiliteit van de elektrode.

Afb. 8 SEM afbeeldingen van oppervlaktemorfologieën van (a, b) S@pPAN/SCMC en (c, d) S@pPAN/CMC elektroden na 100 cycli

Foutanalyse

Om het faalmechanisme van te verifiëren de batterij, de batterij werd opnieuw in elkaar gezet met de cyclische positieve elektrode erin dit onderzoek, en de negatieve elektrode, separator en elektrolyt waren dat wel vervangen. Het is vermeldenswaard dat na 118 cycli van de S@pPAN/CMC|LiPF6|Li batterij stortte de positieve elektrodestructuur in en viel zelfs van de batterij huidige collector, wat verder kan worden bevestigd door SEM. Het structureel ingeklapte S@pPAN/CMC-kathodeplaat kan niet tot een knoopcelbatterij worden samengevoegd met nieuwe lithiumplaten en elektrolyt. De capaciteit van de De voor het eerst gemonteerde S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij viel plotseling uit na 105 cycli bij een stroomdichtheid van 1C (de specifieke capaciteit was 1286,4 mAhâg-1), en de resultaten worden weergegeven in Figuur 9. Na 122 cycli is de elektrolyt en lithiumblad werden vervangen, en de knoopbatterij werd vervangen opnieuw in elkaar gezet, waarbij het type en de hoeveelheid toegevoegde elektrolyt consistent waren met de eerste gemonteerde batterij. De opnieuw gemonteerde S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij bleef onder dezelfde testomstandigheden laad- en ontlaadtests ondergaan. Uit de testresultaten blijkt dat de specifieke capaciteit van de opnieuw gemonteerde batterij dat wel kan bereik 1282,6 mAhâg-1 na 18 cycli, en de specifieke capaciteit herstelt zich tot 91,3% (gebaseerd op de specifieke capaciteit van de tweede cyclusontlading van 1405,1 mAhâg-1). Dit bevestigt dat het capaciteitsverlies van de batterij voornamelijk wordt toegeschreven aan de slechte stabiliteit van de anode, dendrieten en grensvlakreacties die daartoe leiden elektrolytverbruik en toename van de interne impedantie.

Afb. 9 Fietsen prestaties van S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li met een snelheid van 1C voorheen en na het opnieuw in elkaar zetten

Conclusie

In deze studie wordt een nieuw type driedimensionaal geïntroduceerd netwerklijm is ontworpen. Door het toevoegen van SWCNT wordt de taaiheid van de lijm vergroot aanzienlijk toegenomen, en de ultieme treksterkte nam toe tot 41 maal die van het ongemodificeerde monster. De S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-batterij kan dat zijn stabiel gefietst gedurende 140 cycli bij een stroomdichtheid van 2C, de specifieke capaciteit het retentiepercentage van de batterij is 84,7% en een hoge specifieke capaciteit van 1147 mAhâg-1 kan nog steeds worden gehandhaafd bij een hoge stroomdichtheid van 7C, en er is geen barst in de elektrode na het fietsen, wat aangeeft dat de combinatie van CMC en SWCNT kunnen niet alleen het bindingseffect verbeteren, maar ook versnellen reactiekinetiek tijdens het laad- en ontlaadproces, en effectief verzacht de volumeverandering van de S@pPAN positieve elektrode. Het bindmiddel De modificatiemethode in dit onderzoek is eenvoudig en milieuvriendelijk, en dat kan ook niet alleen worden toegepast op kathodes van lithium-zwavelbatterijen met hoge belasting capaciteit en hoge verdichtingsdichtheid, maar ook voor andere secundaire batterijen systemen die geschikt zijn voor bindmiddelen op waterbasis.

Meer lithium-ion Batterijmaterialen van TOB New Energy