Aglutinante flexível para cátodo S@pPAN de bateria de enxofre de lítio - Parte 2

Aglutinante flexível para cátodo S@pPAN de bateria de enxofre de lítio - Parte 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Aglutinante flexível para cátodo S@pPAN de bateria de lítio e enxofre. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Propriedades Físicas Caracterização

As formas de enxofre existentes no S@pPAN materiais foram investigados por XRD. Nos compósitos, o enxofre intercalado pode ser partículas minúsculas com tamanho inferior a 10 nanômetros, mesmo no nível molecular nível, formando compósitos amorfos. O pico característico em 2θ=25,2° em A Figura 1 corresponde ao plano cristalino grafitado (002), e não há pico de difração de enxofre no compósito, o que indica que o enxofre é amorfo em S@pPAN.

Fig. 1 DRX padrão de S@pPAN

Os testes de resistência à tração foram realizados no SCMC filme e o filme CMC respectivamente, e as curvas tensão-deformação são mostradas em Figura 2. O efeito de aprimoramento dos SWCNTs nas propriedades mecânicas de compósitos poliméricos depende principalmente da alta eficiência de transferência de tensão entre SWCNTs e interfaces de polímero. Ligações químicas foram formadas entre SWCNT e materiais poliméricos e a coesão interfacial do material compósito foi melhorado, aumentando assim a capacidade de transferência de tensão do compósito material. Neste estudo, a resistência à tração máxima do compósito SCMC o filme foi aumentado em 41 vezes. SWCNT também tem suas próprias vantagens na melhoria a tenacidade dos materiais compósitos. A área integral da tensão-deformação curva corresponde à tenacidade à fratura do material, e a integral área do filme SCMC na Figura 2 aumenta significativamente, indicando que seu a resistência à fratura é significativamente melhorada. Isso se deve à ponte mecanismo de SWCNTs. Durante o processo de deformação e fratura de materiais sujeitos a forças externas, os SWCNTs em materiais compósitos podem efetivamente conecte microfissuras e atrase a propagação de fissuras, desempenhando um papel de endurecimento.

Fig. 2 Curvas tensão-deformação de SCMC e CMC filmes com inserção mostrando a curva ampliada correspondente do filme CMC

Propriedades eletroquímicas

O desempenho do ciclo dos dois grupos de baterias foram testadas em uma densidade de corrente de 2C, e a densidade de área do o material ativo positivo foi de 0,64 mg cm-2. Os resultados são mostrados na Figura 3. As capacidades específicas de descarga das duas baterias são muito próximas no 15 ciclos iniciais e, em seguida, a capacidade específica do S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bateria começa a diminuir rapidamente, enquanto a bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li pode continuam a permanecer estáveis, a diferença entre as duas capacidades específicas de quitação gradualmente ampliado. Após 140 ciclos, a capacidade específica de descarga do A bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li é de 1195,4 mAhâg-1, e a bateria específica correspondente a taxa de retenção de capacidade é de 84,7%. No entanto, a capacidade específica de A bateria S@pPAN/CMC|LiPF6|Li tem apenas 1012,1 mAhâg-1, e a capacidade específica a taxa de retenção é de 71,7%, muito inferior à anterior. O ciclo os resultados dos testes de desempenho mostram que a adição de SWCNT pode efetivamente melhorar a estabilidade do ciclo da bateria. A razão é que o excelente propriedades mecânicas e excelente condutividade do SWCNT não apenas melhoram o estabilidade da interface do eletrodo, mas também melhora sua eletrônica condutividade. Comparado com outros ligantes na Tabela 1, a estabilidade do ciclo de A bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li está excelente, indicando que o SCMC tem forte competitividade em ligantes práticos de baterias de lítio-enxofre.

Fig. 3 Ciclismo performances de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e S@pPAN/CMC|LiPF6|Li à taxa de 2C

Tabela 1 Comparação dos desempenhos eletroquímicos de cátodos à base de enxofre com diferentes ligantes

O S@pPAN com enxofre de cadeia curta enxertado no estrutura de escada condutora realiza diretamente a conversão sólido-sólido mecanismo de reação, evitando a dissolução e transporte de polissulfetos. Em para verificar se o eletrodo S@pPAN/SCMC não possui polissulfeto lançadeiras durante a reação eletroquímica, a análise XPS foi realizada no ânodo de lítio da bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li após 50 ciclos, conforme mostrado em Figura 4. O espectro XPS mostra picos característicos de elementos como oxigênio, flúor, carbono e fósforo, entre os quais flúor e fósforo são derivados do sal de lítio residual (LiPF6) no eletrólito, e carbono e oxigênio são derivados de parte do solvente orgânico residual. Não picos característicos relacionados ao enxofre foram detectados no ânodo de lítio, indicando que não houve transporte de dissolução de polissulfetos durante o processo de carga e descarga da bateria.

Figura 4 XPS espectro total de ânodo de lítio para bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li após 50 ciclos na taxa de 1C com inserção mostrando seu correspondente desempenho de ciclismo por 50 ciclos

A Figura 5 (a, b) é a curvas características de carga e descarga dos dois grupos de baterias em o 1º, 2º, 10º, 20º, 50º, 70º e 100º ciclo a uma taxa de 2C. A quitação plataforma é uma característica importante que reflete o mecanismo de reação interna de o cátodo de enxofre. A histerese de tensão do material compósito S@pPAN é significativo no primeiro ciclo de descarga, e após o ciclo inicial, o a condutividade do eletrodo é melhorada, levando a um aumento de platô na processo de descarga. As plataformas de descarga de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e As baterias S@pPAN/CMC|LiPF6|Li no segundo ciclo são ambas de 1,72 V, e as as plataformas de carregamento giram em torno de 2,29 V, o que está de acordo com a literatura. As curvas de carga-descarga da bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li têm uma alta grau de coincidência do 2º ciclo ao 70º ciclo, indicando que o a polarização interna da bateria muda pouco durante o ciclo, e o a interface eletrodo/eletrólito é muito estável. O correspondente A sobreposição da curva de carga-descarga da bateria S@pPAN/CMC|LiPF6|Li é baixa e o o platô de tensão da curva de carga aumenta significativamente. Como o número de ciclos aumenta, a polarização interna da bateria aumenta significativamente, resultando em baixa estabilidade do ciclo do S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bateria.

Fig. 5 Alta mudança curvas de (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li à taxa de 2C

A Figura 6 mostra a taxa resultados de testes de desempenho de dois grupos de baterias em densidades de corrente de 0,5°C, 1°C, 3°C, 5°C, 7°C e 0,5°C, respectivamente. Não há nenhum significativo diferença na capacidade específica de descarga dos dois grupos de eletrodos ao carregar e descarregar em uma densidade de corrente baixa. No entanto, como o atual a densidade aumenta, a capacidade específica reversível do S@pPAN/CMC|LiPF6|Li a bateria está ficando cada vez mais baixa e tem apenas 971,8 mAhâg-1 a 7C. Neste momento, o A bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ainda pode manter uma alta capacidade específica de 1147 mAhâg-1, e quando a densidade de corrente retorna a 0,5C, as capacidades específicas do dois grupos de baterias são basicamente restaurados. O teste de desempenho da taxa os resultados mostram que a bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ainda possui alta especificidade capacidade quando é carregado e descarregado rapidamente em alta corrente, porque a adição de SWCNTs melhora a condutividade eletrônica em massa dentro do eletrodo. A folha de eletrodo forma uma rede condutora, que pode dispersar efetivamente a densidade atual, e o enxofre está em contato total com a estrutura condutora formada por SWCNT durante o ciclo, o enxofre a cinética de conversão na superfície do eletrodo é significativamente melhorada e o a taxa de utilização de enxofre é maior.

Fig. 6 Taxa desempenho de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li e S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Para explorar o efeito da adição de SWCNTs no desempenho do cátodo de enxofre, foram realizados testes de voltametria cíclica em os dois grupos de baterias, e os resultados são mostrados na Figura 7 (a, b). As curvas de voltametria cíclica mostraram que os picos redox de ambos os grupos de as baterias não mudaram significativamente durante os primeiros três ciclos. No entanto, o formato do pico da bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li é mais nítido e o pico corrente (Ip) é maior, indicando que a cinética de reação do eletrodo do a bateria é melhor. Isto se deve à adição do SWCNT para aumentar a condutividade da peça polar, o que efetivamente melhora a eletroquímica desempenho da bateria.

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

Para analisar melhor o mecanismo do desempenho eletroquímico do eletrodo S@pPAN/SCMC, este estudo utilizou SEM observar a morfologia da superfície dos dois grupos de eletrodos positivos peças após 100 ciclos. Pode ser visto na Figura 8 (a, c) que há um grande número de trincas na superfície do eletrodo positivo S@pPAN/CMC em os dois grupos de baterias, e até mesmo fenômeno de pulverização visível. No entanto, a estrutura do cátodo S@pPAN/SCMC permaneceu intacta e sem rachaduras óbvias apareceu na superfície. O S@pPAN esférico pode ser visto nas setas amarelas na Figura 8 (b, d). Vale ressaltar que na Figura 8 (b), pode-se observar que SWCNTs podem efetivamente cobrir a superfície de partículas de materiais ativos e construir um canal de condução de elétrons de alta velocidade para todo o eletrodo. E o eletrodo pode manter a integridade estrutural durante o ciclo eletroquímico, o que prova que o SWCNT pode aliviar a mudança de volume durante a carga e descarregar e melhorar a estabilidade mecânica do eletrodo.

Figo. 8 SEM imagens de morfologias de superfície de (a, b) S@pPAN/SCMC e (c, d) S@pPAN/CMC eletrodos após 100 ciclos

Análise de falhas

Para verificar o mecanismo de falha do bateria, a bateria foi remontada com o eletrodo positivo ciclado em estudo, e o eletrodo negativo, o separador e o eletrólito foram substituído. Vale a pena notar que após 118 ciclos do S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bateria, a estrutura do eletrodo positivo entrou em colapso e até caiu do coletor atual, o que pode ser confirmado por SEM. O estruturalmente A folha catódica S@pPAN/CMC recolhida não pode ser montada em uma bateria tipo botão com novas folhas de lítio e eletrólito. A capacidade do S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li bateria montada pela primeira vez caiu repentinamente após 105 ciclos a uma densidade de corrente de 1C (a capacidade específica era 1286,4 mAhâg-1), e os resultados são mostrados na Figura 9. Após 122 ciclos, o eletrólito e folha de lítio foram substituídos, e a bateria do botão foi remontados, nos quais o tipo e a quantidade de eletrólito adicionado eram consistentes com a primeira bateria montada. A bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li remontada continuou a passar por testes de carga e descarga nas mesmas condições de teste. Os resultados do teste mostram que a capacidade específica da bateria remontada pode atinge 1282,6 mAhâg-1 após 18 ciclos, e a capacidade específica se recupera para 91,3% (com base na capacidade específica da descarga do segundo ciclo de 1405,1 mAhâg-1). Isto confirma que a perda de capacidade da bateria é atribuída principalmente a a fraca estabilidade do ânodo, dendritos e reações interfaciais levando a consumo de eletrólito e aumento de impedância interna.

Fig. 9 Ciclismo desempenho de S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a uma taxa de 1C antes e depois de remontar

Conclusão

Neste estudo, um novo tipo de tridimensional adesivo de rede foi projetado. Ao adicionar SWCNT, a resistência do adesivo aumentou significativamente, e a resistência à tração máxima aumentou para 41 vezes o da amostra não modificada. A bateria S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li pode ser ciclado de forma estável por 140 ciclos a uma densidade de corrente de 2C, a capacidade específica a taxa de retenção da bateria é de 84,7% e uma alta capacidade específica de 1147 mAhâg-1 ainda pode ser mantido em uma alta densidade de corrente de 7C, e há nenhuma rachadura no eletrodo após o ciclo, indicando que a combinação de CMC e SWCNT podem não apenas melhorar o efeito de ligação, mas também acelerar o cinética de reação durante o processo de carga e descarga, e efetivamente aliviar a mudança de volume do eletrodo positivo S@pPAN. O fichário O método de modificação neste estudo é simples e ecologicamente correto, e pode ser aplicado não apenas a cátodos de baterias de lítio-enxofre com alta carga capacidade e alta densidade de compactação, mas também para outras baterias secundárias sistemas adequados para ligantes à base de água.

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