Fleksibelt bindemiddel for S@pPAN katode av litiumsvovelbatteri

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Fleksibelt bindemiddel for S@pPAN katode av litiumsvovelbatteri. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303
 

Abstrakt

Sulfurisert pyrolysert poly(akrylnitril) (S@pPAN) kompositt som katodemateriale av Li-S-batteriet realiserer en fast-fast omdannelsesreaksjonsmekanisme uten oppløsning av polysulfider. Imidlertid påvirker overflate- og grensesnittegenskapene den elektrokjemiske ytelsen betydelig, og det er også åpenbare volumendringer under elektrokjemisk syklus. I denne studien ble enkeltveggede karbon-nanorør (SWCNT) og natriumkarboksymetylcellulose (CMC) brukt som bindemiddel for S@pPAN-katode for å regulere overflaten til S@pPAN og lindre volumendringer under lading og utlading. Ved en strømtetthet på 2C var kapasitetsretensjonshastigheten til batteriene etter 140 sykluser 84,7 prosent, og en høy spesifikk kapasitet på 1147 mAh∙g-1 kan fortsatt opprettholdes ved en høy strømtetthet på 7C. Den endelige strekkstyrken for filmen til komposittbindemiddelet øker med 41 ganger etter tilsetning av SWCNT, og komposittbindemiddelet garanterer et mer stabilt elektrodegrensesnitt under drift, og forbedrer dermed syklusstabiliteten til de som sammensatte litium-svovelbatterier.
Nøkkelord:litium-svovel batteri, S@pPAN katode, natrium carboxymethyl cellulose; bindemiddel, stabilt grensesnitt

Tradisjonelle litium-ion-batterier har fordelene med enkel forberedelsesprosess og praktisk bruk, men problemene med lav energitetthet (vanligvis mindre enn 250 Wh∙kg-1) og høye kostnader er fortsatt fremtredende. Litium-svovelbatterier har en høyere teoretisk spesifikk energitetthet (2600 Wh∙kg-1), og anses å være neste generasjon sekundære oppladbare batterier med stort utviklingspotensial. Dessuten har elementært svovel fordelene med rikelige reserver, lave kostnader og en teoretisk spesifikk kapasitet på 1672 mAh·g-1. Imidlertid vil den tradisjonelle elementære svovelpositive elektroden ha en stor volumendring (omtrent 80 prosent) og elektrodepulvering under lade- og utladingsprosessen, noe som resulterer i forkortet batterilevetid. Og det vil generere løselige polysulfider, noe som resulterer i en skytteleffekt, som til slutt fører til en rekke problemer som lav utnyttelse av aktive materialer og dårlig syklusstabilitet til batteriet. For å redusere effekten av skytteleffekten på batteriytelsen, har forskere utviklet mange svovelbaserte komposittkatodematerialer for å forbedre ytelsen til litium-svovelbatterier. Slik som karbon-svovel-komposittmaterialer, ledende polymerer og komposittmaterialer dannet av metalloksider og svovel. Enkelveggede karbon nanorør (SWCNT) er et tilsetningsstoff for generell bruk med fordelene med lav tetthet, lett vekt og god elektrisk ledningsevne. I denne studien ble natriumkarboksymetylcellulose modifisert ved å tilsette SWCNT for å forbedre seigheten og den endelige strekkstyrken til bindemidlet. Bruken av dette komposittbindemidlet (betegnet som SCMC) i litium-svovelbatterier med S@pPAN som katodemateriale kan forbedre syklusstabiliteten til batteriet betydelig.

Eksperimentell metode

1.1 Materialforberedelse

Vei en viss mengde polyakrylnitril (Mw{{0}}.5×105, Aldrich) og elementært svovel i henhold til masseforholdet 1:8, tilsett en passende mengde absolutt etanol som dispergeringsmiddel, og bland dem jevnt i en forseglet agatkulemølle. Etter kulemaling i 6 timer ble den tørket i en masovn på 60 grader. Etter tørking maler du blokkblandingen godt. Deretter ble en viss mengde blandet pulver veid og plassert i en kvartsbåt, og temperaturen ble hevet til 300 grader i en rørovn under en nitrogenbeskyttende atmosfære, og holdt i 6,5 timer for å oppnå et S@pPAN-svartpulver med en svovelmassefraksjon på 41 prosent. Vei 20 mg SWCNT i en prøveflaske, og tilsett deretter 0,5 mg·mL -1 natriumdodecylbenzensulfonat (SDBS). Etter ultralydbehandling i 10 timer, ble CMC (Mw=7×105, Aldrich) tilsatt til SWCNT-suspensjonen (masseforholdet mellom CMC og SWCNT var 2:1) og omrørt i 2 timer for å oppnå SCMC, og massefraksjonen med fast innhold er 1 prosent. I tillegg er CMC-en som ble brukt i kontrolleksperimentet ovenfor, nøyaktig den samme som CMC-behandlingen ovenfor. Løs CMC i avionisert vann, massefraksjonen av CMC er 1 prosent, og prøven er merket som CMCP.

1.2 Elektrodeklargjøring og batterimontering

S@pPAN, Super P og bindingsslurry (SCMC eller CMCP) ble veid i henhold til masseforholdet 8:1:1. Sett den i en polytetrafluoretylentank for kulefresing i 2 timer, og massen av den bundne slurryen beregnes i henhold til massen til fastfasekomponenten. Oppslemmingen ble belagt på den karbonbelagte aluminiumsfolien med en filmapplikator, og etter tørking ved romtemperatur ble den kuttet i ϕ12 mm skiver med en mikrotom, og tørket i en blaseovn ved 70 grader i 6 timer. Etter fortørking ble polstykket behandlet med en tablettpresse under et trykk på 12 MPa for å redusere tykkelsen på polstykket og øke komprimeringstettheten til polstykket, og deretter fortsette å vakuumtørke ved 70 grader i 6 timer. Etter at temperaturen på vakuumovnen falt til romtemperatur, ble stangstykket raskt overført til hanskerommet for veiing og satt til side. Den aktive materialebelastningen per arealenhet av katoden i denne studien er omtrent 0,6 mg∙cm-2. Elektrodene basert på SCMC og CMCP er betegnet som henholdsvis S@pPAN/SCMC og S@pPAN/CMC.

1.3 Elektrokjemisk ytelsestest

Et knappbatteri av 2016-type ble satt sammen i rekkefølgen med positivt elektrodehus, positivt elektrodeark, separator og litiumark. Elektrolytten er 1 mol L-1 LiPF6 etylenkarbonat (EC)/dimetylkarbonat (DMC) (volumforhold 1 : 1) løsning pluss massefraksjon 10 prosent fluoretylenkarbonat (10 prosent FEC), Membranen er en polyetylen (PE) diafragma.

Bruk Xinwei-batteritestsystemet til å utføre konstant strømlading og utladingstester på de sammensatte batteriene. Batteriet fikk stå i 4 timer før det ble syklet for å fullstendig infiltrere separatoren og elektrodene med elektrolytten. Spenningen for ladning-utladning varierte fra 1.0 til 3.0 V, og en konstant temperatur på 25 grader ble opprettholdt under sykling. Langtidssyklustesten ble utført ved 2C strømtetthet, og hastighetsytelsen til batteriet ble testet ved 0.5C, 1C, 3C, 5C og 7C strømtetthet. Syklisk voltammetri (CV) ble utført på en CHI 760E elektrokjemisk arbeidsstasjon med en skannehastighet på 1 mV s-1. Den spesifikke kapasiteten beregnes basert på den aktive komponenten svovel.

1.4 Karakterisering av fysiske egenskaper

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) ble brukt til å analysere overflateelementene til litiumplater etter batterisykling, og prøveforberedelsen ble fullført i en hanskeboks. XRD-spekteret til S@pPAN-materialet ble testet med røntgendiffraktometer (XRD).
Spennings-tøyningskurven til limet ble testet med en dynamisk termomekanisk analysator (DMA Q850). Prøveforberedelsesprosessen er som følger: slipp CMCP og SCMC på overflaten av en flat og ren polytetrafluoretylenplate, legg den i en blasterovn ved 55 grader i 8 timer for å danne en film, og kutt den i strimler for testing, henholdsvis betegnet som CMC-film og SCMC-membran.
De syklede elektrodene ble vasket tre ganger med en passende mengde DMC-løsningsmiddel i et hanskerom for å fjerne gjenværende elektrolytt på overflaten, og tørket naturlig. Morfologien til prøvene ble observert ved elektronmikroskopi (SEM).
 

Mer litiumionBatterimaterialerfraTOB Ny Energi