Flexibler Binder für die S@pPAN-Kathode einer Lithium-Schwefel-Batterie – Teil 2

Flexibles Bindemittel für die S@pPAN-Kathode einer Lithium-Schwefel-Batterie – Teil 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Flexibler Binder für die S@pPAN-Kathode einer Lithium-Schwefel-Batterie. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Physikalische Eigenschaften Charakterisierung

Die vorhandenen Schwefelformen im S@pPAN Materialien wurden mittels XRD untersucht. In Verbundwerkstoffen kann der eingelagerte Schwefel vorhanden sein Dabei handelt es sich um winzige Partikel mit einer Größe von weniger als 10 Nanometern, selbst im molekularen Bereich Ebene und bilden amorphe Verbundstoffe. Der charakteristische Peak liegt bei 2θ=25,2° Zoll Abbildung 1 entspricht der graphitierten Kristallebene (002), und es gibt keine Schwefelbeugungspeak im Verbundstoff, der darauf hinweist, dass Schwefel vorhanden ist amorph in S@pPAN.

Abb. 1 XRD Muster von S@pPAN

Die Zugfestigkeitstests wurden am SCMC durchgeführt Film bzw. CMC-Film, und die Spannungs-Dehnungs-Kurven sind in dargestellt Abb. 2. Der verstärkende Effekt von SWCNTs auf die mechanischen Eigenschaften von Bei Polymerverbundwerkstoffen kommt es vor allem auf die hohe Effizienz der Spannungsübertragung an zwischen SWCNTs und Polymerschnittstellen. Zwischen SWCNT wurden chemische Bindungen gebildet und Polymermaterialien und die Grenzflächenkohäsion des Verbundmaterials wurde verbessert, wodurch die Spannungsübertragungsfähigkeit des Verbundwerkstoffs verbessert wurde Material. In dieser Studie wurde die ultimative Zugfestigkeit des SCMC-Verbundwerkstoffs untersucht Film wurde um das 41-fache erhöht. SWCNT hat auch seine eigenen Vorteile bei der Verbesserung die Zähigkeit von Verbundwerkstoffen. Der Integralbereich der Spannungs-Dehnung Die Kurve entspricht der Bruchzähigkeit des Materials und dem Integral Die Fläche des SCMC-Films in Abbildung 2 nimmt deutlich zu, was darauf hinweist, dass dies der Fall ist Die Bruchzähigkeit wird deutlich erhöht. Dies liegt an der Überbrückung Mechanismus von SWCNTs. Beim Verformungs- und Bruchprozess von Materialien Unter Einwirkung äußerer Kräfte können SWCNTs in Verbundwerkstoffen dies effektiv tun verbinden Mikrorisse, verzögern die Rissausbreitung und spielen eine härtende Rolle.

Abb. 2 Spannungs-Dehnungs-Kurven von SCMC und CMC Filme mit Einschub, der die entsprechende vergrößerte Kurve des CMC-Films zeigt

Elektrochemische Eigenschaften

Die Zyklusleistung der beiden Gruppen von Batterien wurden bei einer Stromdichte von 2C getestet und die Flächendichte der positives aktives Material betrug 0,64 mg cm-2. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Die entladespezifischen Kapazitäten der beiden Batterien liegen sehr nahe beieinander anfängliche 15 Zyklen und dann die spezifische Kapazität des S@pPAN/CMC|LiPF6|Li Die Batterieleistung nimmt rapide ab, während dies bei der S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie der Fall sein kann weiterhin stabil bleiben, die Lücke zwischen den beiden Entladungskapazitäten allmählich erweitert. Nach 140 Zyklen ist die spezifische Entladungskapazität des Die S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie hat eine Kapazität von 1195,4 mAhâg-1 und die entsprechenden Spezifikationen Die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 84,7 %. Allerdings ist die spezifische Kapazität von Der S@pPAN/CMC|LiPF6|Li-Akku hat nur 1012,1 mAhâg-1 und die spezifische Kapazität Die Bindungsrate beträgt 71,7 % und ist damit viel niedriger als bei ersterem. Der Zyklus Leistungstestergebnisse zeigen, dass die Zugabe von SWCNT effektiv sein kann Verbessern Sie die Zyklenfestigkeit der Batterie. Der Grund ist, dass die ausgezeichnete Die mechanischen Eigenschaften und die hervorragende Leitfähigkeit von SWCNT verbessern nicht nur die Grenzflächenstabilität der Elektrode, sondern verbessern auch deren Elektronik Leitfähigkeit. Im Vergleich zu anderen Bindemitteln in Tabelle 1 ist die Zyklenstabilität von Die S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie ist hervorragend, was darauf hindeutet, dass SCMC stark ist Wettbewerbsfähigkeit bei praktischen Bindemitteln für Lithium-Schwefel-Batterien.

Abb. 3 Radfahren Leistungen von S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li und S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bei 2°C Rate

Tabelle 1 Vergleich der elektrochemischen Leistungen von Kathoden auf Schwefelbasis mit unterschiedlichen Bindemitteln

Das S@pPAN mit eingepfropftem kurzkettigen Schwefel Die leitfähige Leiterstruktur realisiert direkt die Fest-Fest-Umwandlung Reaktionsmechanismus, der die Auflösung und den Transport von Polysulfiden vermeidet. In um sicherzustellen, dass die S@pPAN/SCMC-Elektrode kein Polysulfid enthält Während der elektrochemischen Reaktion wurde eine XPS-Analyse durchgeführt Lithiumanode der S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie nach 50 Zyklen, wie in gezeigt Abbildung 4. Das XPS-Spektrum zeigt charakteristische Peaks von Elementen wie z Sauerstoff, Fluor, Kohlenstoff und Phosphor, darunter Fluor und Phosphor werden aus dem restlichen Lithiumsalz (LiPF6) im Elektrolyten gewonnen und Kohlenstoff und Sauerstoff stammen aus einem Teil des restlichen organischen Lösungsmittels. NEIN Auf der Lithiumanode wurden schwefelbedingte charakteristische Peaks festgestellt, Dies weist darauf hin, dass es während des Prozesses zu keinem Lösungspendeln der Polysulfide kam Lade- und Entladevorgang des Akkus.

Abb. 4 XPS Gesamtspektrum der Lithiumanode für S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie nach 50 Zyklen bei 1 °C, wobei der Einschub das entsprechende zeigt Radfahrleistung für 50 Zyklen

Abbildung 5(a, b) ist die Charakteristische Lade- und Entladekurven der beiden Batteriegruppen bei der 1., 2., 10., 20., 50., 70. und 100. Zyklus bei 2°C. Die Entladung Plattform ist ein wichtiges Merkmal, das den internen Reaktionsmechanismus von widerspiegelt die Schwefelkathode. Die Spannungshysterese des S@pPAN-Verbundmaterials beträgt signifikant im ersten Entladezyklus und nach dem ersten Zyklus, der Die Leitfähigkeit der Elektrode wird verbessert, was zu einem Plateauanstieg führt Entladungsprozess. Die Entladungsplattformen von S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li und S@pPAN/CMC|LiPF6|Li-Batterien im zweiten Zyklus haben beide 1,72 V und die Ladeplattformen liegen bei etwa 2,29 V, was mit der Literatur übereinstimmt. Die Lade-Entlade-Kurven der S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie weisen einen hohen Wert auf Koinzidenzgrad vom 2. Zyklus bis zum 70. Zyklus, was darauf hinweist, dass die Die interne Polarisierung der Batterie ändert sich während des Zyklus kaum und die Die Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt ist sehr stabil. Das entsprechende Die Überlappung der Lade-Entlade-Kurven der S@pPAN/CMC|LiPF6|Li-Batterie ist gering und die Spannungsplateau der Ladekurve steigt deutlich an. Als Anzahl der Zyklen erhöht sich die interne Polarisierung der Batterie erheblich, was zu einer schlechten Zyklenstabilität des S@pPAN/CMC|LiPF6|Li führt Batterie.

Abb. 5 Chage-Entladung Kurven von (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li und (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li bei 2C Rate

Abbildung 6 zeigt die Rate Leistungstestergebnisse von zwei Gruppen von Batterien bei Stromdichten von 0,5 °C, 1 °C, 3 °C, 5 °C, 7 °C bzw. 0,5 °C. Es gibt keine signifikante Unterschied in der spezifischen Entladungskapazität der beiden Elektrodengruppen beim Laden und Entladen mit geringer Stromdichte. Allerdings als aktuelle Mit zunehmender Dichte nimmt die reversible spezifische Kapazität des S@pPAN/CMC|LiPF6|Li zu Die Akkukapazität wird immer geringer und beträgt bei 7 °C nur noch 971,8 mAhâg-1. Zu diesem Zeitpunkt ist die S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Akkus können immer noch eine hohe spezifische Kapazität aufrechterhalten 1147 mAhâg-1, und wenn die Stromdichte auf 0,5 °C zurückkehrt, erhöhen sich die spezifischen Kapazitäten der Grundsätzlich werden zwei Batteriegruppen wiederhergestellt. Der Ratenleistungstest Die Ergebnisse zeigen, dass die S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie immer noch einen hohen spezifischen Wert aufweist Kapazität, wenn es mit einem hohen Strom schnell geladen und entladen wird, weil Die Zugabe von SWCNTs verbessert die elektronische Leitfähigkeit im Inneren Elektrode. Das Elektrodenblatt bildet ein leitfähiges Netzwerk, das Die Stromdichte wird effektiv verteilt, und der Schwefel ist in vollem Kontakt mit dem von SWCNT während des Zyklus gebildeten leitfähigen Gerüst, dem Schwefel Die Umwandlungskinetik an der Elektrodenoberfläche wird deutlich verbessert und die Die Ausnutzungsrate von Schwefel ist höher.

Abb. 6 Bewerten Leistung von S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li und S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Um die Wirkung des Hinzufügens von SWCNTs auf die zu untersuchen Um die Leistung der Schwefelkathode zu überprüfen, wurden zyklische Voltammetrietests durchgeführt Die beiden Batteriegruppen wurden untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7(a, b) dargestellt. Cyclovoltammetriekurven zeigten, dass die Redoxpeaks beider Gruppen von Die Batterien haben sich während der ersten drei Zyklen nicht wesentlich verschoben. Jedoch, Die Peakform der S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie ist schärfer und der Peak Der Strom (Ip) ist größer, was darauf hinweist, dass die Elektrodenreaktionskinetik des Batterie ist besser. Dies ist auf die Zugabe von SWCNT zur Erhöhung zurückzuführen Leitfähigkeit des Polschuhs, wodurch die elektrochemische Wirkung effektiv verbessert wird Leistung des Akkus.

Abb. 7 Lebenslauf Kurven von (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li und (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Um den Mechanismus des Zur Bestimmung der elektrochemischen Leistung der S@pPAN/SCMC-Elektrode wurde in dieser Studie SEM verwendet um die Oberflächenmorphologie der beiden Gruppen positiver Elektroden zu beobachten Stücke nach 100 Zyklen. Aus Abbildung 8(a, c) ist ersichtlich, dass es a gibt große Anzahl von Rissen auf der Oberfläche der positiven S@pPAN/CMC-Elektrode die beiden Batteriegruppen und sogar ein sichtbares Puderphänomen. Jedoch, Die Struktur der S@pPAN/SCMC-Kathode blieb intakt und es traten keine offensichtlichen Risse auf erschien an der Oberfläche. An den gelben Pfeilen ist das kugelförmige S@pPAN zu erkennen in Abb. 8(b, d). Es ist erwähnenswert, dass dies in Abbildung 8(b) zu sehen ist SWCNTs können die Oberfläche von Aktivmaterialpartikeln effektiv bedecken und aufbauen ein Hochgeschwindigkeits-Elektronenleitungskanal für die gesamte Elektrode. Und die Die Elektrode kann während des elektrochemischen Zyklus ihre strukturelle Integrität aufrechterhalten. Dies beweist, dass SWCNT die Lautstärkeänderung während des Ladevorgangs abmildern kann Entladung und verbessern die mechanische Stabilität der Elektrode.

Feige. 8 SEM Bilder der Oberflächenmorphologien von (a, b) S@pPAN/SCMC und (c, d) S@pPAN/CMC Elektroden nach 100 Zyklen

Fehleranalyse

Um den Fehlermechanismus von zu überprüfen Die Batterie wurde mit der getesteten positiven Elektrode wieder zusammengebaut Diese Studie und die negative Elektrode, der Separator und der Elektrolyt waren ersetzt. Es ist erwähnenswert, dass nach 118 Zyklen des S@pPAN/CMC|LiPF6|Li Batterie kollabierte die positive Elektrodenstruktur und fiel sogar von der Stromkollektor, was durch SEM weiter bestätigt werden kann. Die strukturell Das zusammengeklappte S@pPAN/CMC-Kathodenblatt kann nicht zu einer Knopfbatterie zusammengebaut werden mit neuen Lithiumblechen und Elektrolyt. Die Kapazität der Die zum ersten Mal zusammengebaute S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie fiel plötzlich aus nach 105 Zyklen bei einer Stromdichte von 1C (die spezifische Kapazität betrug 1286,4). mAhâg-1), und die Ergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt. Nach 122 Zyklen ist die Elektrolyt und Lithiumfolie wurden ersetzt, ebenso die Knopfbatterie wieder zusammengebaut, wobei Art und Menge des zugesetzten Elektrolyten konsistent waren mit der ersten zusammengebauten Batterie. Die wieder zusammengebaute S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Batterie weiterhin Lade- und Entladetests unter den gleichen Testbedingungen unterzogen. Die Testergebnisse zeigen, dass die spezifische Kapazität der wieder zusammengebauten Batterie dies kann erreichen nach 18 Zyklen 1282,6 mAhâg-1 und die spezifische Kapazität erholt sich auf 91,3 % (basierend auf der spezifischen Kapazität der zweiten Zyklusentladung von 1405,1). mAhâg-1). Dies bestätigt, dass der Batteriekapazitätsverlust hauptsächlich darauf zurückzuführen ist die schlechte Stabilität der Anode, Dendriten und Grenzflächenreaktionen führen dazu Elektrolytverbrauch und Anstieg der Innenimpedanz.

Abb. 9 Radfahren Leistung von S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li bei 1C Rate zuvor und nach dem Zusammenbau

Schlussfolgerung

In dieser Studie wird eine neue Art von Dreidimensionalität untersucht Netzwerkkleber entwickelt. Durch die Zugabe von SWCNT wird die Zähigkeit des Klebstoffs erhöht deutlich erhöht und die Zugfestigkeit auf 41 erhöht mal so hoch wie die der unveränderten Probe. Der S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li-Akku kann sein 140 Zyklen lang stabil zyklisch bei einer Stromdichte von 2C, der spezifischen Kapazität Die Retentionsrate des Akkus beträgt 84,7 % und die hohe spezifische Kapazität 1147 mAhâg-1 kann immer noch bei einer hohen Stromdichte von 7C aufrechterhalten werden, und das ist auch der Fall Kein Riss in der Elektrode nach dem Radfahren, was darauf hindeutet, dass die Kombination von CMC und SWCNT können den Bindungseffekt nicht nur verbessern, sondern auch beschleunigen Reaktionskinetik während des Lade- und Entladevorgangs und effektiv Vermindern Sie die Volumenänderung der S@pPAN-Positivelektrode. Der Ordner Die Modifikationsmethode in dieser Studie ist einfach und umweltfreundlich und kann nicht nur auf Lithium-Schwefel-Batteriekathoden mit hoher Beladung angewendet werden Kapazität und hohe Verdichtungsdichte, sondern auch für andere Sekundärbatterien Systeme, die für wasserbasierte Bindemittel geeignet sind.

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