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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-05-26 點(diǎn)擊1955次
鋰離子電池( LIBs) 在過(guò)去的20 年里已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品如筆記本電腦、相機(jī)和手機(jī)上取得了巨大的成功。然而,目前使用的基于插層機(jī)理的陰極, 如LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等已接近理論能量密度極限,不能滿足電動(dòng)汽車( EV) 、插電式混合動(dòng)力汽車( HEV) 和電網(wǎng)儲(chǔ)能的需求[1-3]。為滿足大型儲(chǔ)能設(shè)備的要求,尋找具有高容量、高能量密度的新型替代電化學(xué)活性材料是一種有效的途徑。在這些陰極材料中,硫( S) 因其1675 mAh /g 的高比容量和2600 Wh /kg 的高能量密度而受到人們的特別關(guān)注,其能量密度是經(jīng)典商用LiCoO2陰極的10 倍。此外,硫還具有價(jià)格低廉,儲(chǔ)量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。然而,硫材料本身的絕緣特性、體積膨脹、多硫化物的穿梭現(xiàn)象等問題阻礙了鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用,導(dǎo)致鋰硫電池庫(kù)侖效率低、活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命差[4-6]。
為了解決上述挑戰(zhàn),一個(gè)有效的策略是使用導(dǎo)電材料來(lái)容納硫并攔截多硫化物,如炭黑[7],科琴黑[8],super P[1]等。傳統(tǒng)二維碳材料無(wú)法有效的傳輸離子,因此,本工作采用三維碳納米管材料作為鋰硫電池正極材料,增加電池整體導(dǎo)電性和離子傳輸性能。碳納米管正極材料在在0. 5 C 條件下表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能,初始放電容量高達(dá)980 mAh /g。在循環(huán)100 圈
后,容量保持在586 mAh /g。
1 實(shí)驗(yàn)
1. 1 碳納米管的制備流程
將500 mg 的未經(jīng)處理的碳納米管,在80 mL 硝酸( 60 mL)和硫酸( 20 mL) 的混合物中回流,80 ℃溫度下攪拌12 h。產(chǎn)物用去離子水和乙醇洗滌,經(jīng)離心收集,收集產(chǎn)物在80 ℃溫度下干燥12 h。
1. 2 碳納米管/硫正極的制備
將硫與碳納米管在質(zhì)量比7∶3 條件下混合,得到碳納米管/硫復(fù)合材料。收集混合好的粉末被轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中,在155 ℃條件下加熱12 h。陰極是由混合漿料( 80wt%碳納米管/硫,10wt%Super P 和10wt% PVDF 粘結(jié)劑) 涂布在鋁箔上,并在60 ℃真空條件下干燥12 h。
1. 3 材料表征
使用SEM( 日立,SU8010) ; 和HRTEM ( G2 F20FEI TecnaiG2 F20,200 kV) 。晶體結(jié)構(gòu)的特征X 射線衍射( PANalyticalX'Pert PRO,monochromated Cu Kα radiation 40 mA,40 kV) 。采用熱重分析儀對(duì)化合物中硫、碳的含量進(jìn)行了分析。采用熱重分析儀( TGA) 對(duì)復(fù)合材料中硫含量進(jìn)行了測(cè)試。
1. 4 電化學(xué)測(cè)試
將硫電極切成圓形片作為工作電極。電池殼選取2025 型電池殼,以Li 金屬為負(fù)極,硫電極為正極,Celgard 3501 作為隔膜在手套箱中組裝電池。其中電解質(zhì)構(gòu)成為由1 mol /LLiTFSI 在DOL 和DME( 體積比為1∶1) 的溶劑組成。循環(huán)伏安測(cè)試在1. 5~ 3. 0 V 電壓區(qū)間由CHI660D 電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)PARSTAT 2273 電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行EIS 測(cè)量,研究了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué),頻率范圍設(shè)置在1 mhz 到1Hz 之間,交流信號(hào)下的振幅為10 mV。采用新威電池測(cè)試系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行充放電測(cè)量,電壓窗為1. 7~ 2. 8 V ( 1 C 等于1675 mA/g) 。
2 結(jié)果與討論
2. 1 穿梭效應(yīng)的抑制
鋰硫電池工作原理: 鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì),以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子,正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物,正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢(shì)差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下,鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行,即為充電過(guò)程; 鋰硫電池放電過(guò)程中會(huì)生成多硫化鋰溶解到電解液中并擴(kuò)散到負(fù)極表面,這造成活性物質(zhì)的損失和金屬鋰表面的鈍化。鋰硫電池在放電這個(gè)過(guò)程中存在很多的中間產(chǎn)物,Li2S8、Li2S6、Li2S4,這些中間產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生穿梭效應(yīng),從而使最終的產(chǎn)物是電子絕緣體,這就降低了其反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)速率,使電池的倍率性能下降。
通過(guò)采用XRD 測(cè)試分析了碳納米管晶體結(jié)構(gòu),如圖1 所示。通過(guò)SEM 測(cè)試( 圖2) ,在不同放大倍率( 50. 0 k、60. 0 k、35. 0 k) 下,可以看出碳納米管生長(zhǎng)分布均勻,直徑在30 ~60 nm,長(zhǎng)徑比適中的碳納米管可以有效地與活性物質(zhì)硫相結(jié)合,在反應(yīng)過(guò)程中可以有效地抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。
2. 2 電化學(xué)性能測(cè)定
為了進(jìn)一步驗(yàn)證改善后的碳納米管/硫復(fù)合材料的循環(huán)性能,對(duì)碳納米管/硫復(fù)合材料進(jìn)行相應(yīng)電化學(xué)測(cè)試,如圖3 所示,在0. 5 C 電流密度下,首次放電容量為980 mAh /g,循環(huán)100 圈后,容量為586 mAh /g,從循環(huán)性能上看,該材料所制備電池穩(wěn)定性良好。
2. 3 正極材料的循環(huán)伏安測(cè)試和交流阻抗測(cè)試
為了更深入了解該電池充放電中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,我們對(duì)該電池進(jìn)行了循環(huán)前后的交流阻抗測(cè)試,如圖4 所示,碳納米管/硫正極材料進(jìn)行了循環(huán)伏安測(cè)試和交流阻抗測(cè)試,通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試可以看出曲線極化較小,證明碳納米管/硫正極材料有效的抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。通過(guò)交流阻抗測(cè)試可以得出,碳納米管/硫正極材料組裝的電池內(nèi)阻較小,證明電池本身有利于離子傳輸。
3 結(jié)論
采用三維碳納米管材料作為鋰硫電池正極材料,增加電池整體導(dǎo)電性和離子傳輸性能的同時(shí),碳納米管可以有效的抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。碳納米管正極材料在在0. 5 C 條件下表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能,初始放電容量高達(dá)980 mAh /g。在循環(huán)100 圈后,容量保持在586 mAh /g。本工作為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路。
出自廣州化工
韓偉
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