Pengikat Fleksibel Untuk Katoda S@pPAN Dari Baterai Lithium Sulphur-Bagian 2

Pengikat Fleksibel untuk S@pPAN Cathode of Lithium Sulphur Battery- Bagian 2

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. Pengikat Fleksibel untuk Katoda S@pPAN dari Baterai Lithium Sulphur. Jurnal Bahan Anorganik, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

Karakterisasi Sifat Fisik

Bentuk belerang yang ada dalam bahan S@pPAN diselidiki oleh XRD. Dalam komposit, belerang yang diselingi mungkin berupa partikel kecil dengan ukuran kurang dari 10 nanometer, bahkan pada tingkat molekuler, membentuk komposit amorf. Puncak karakteristik pada 2θ=25.2 derajat pada Gambar 1 sesuai dengan bidang kristal tergrafit (002), dan tidak ada puncak difraksi belerang dalam komposit, yang menunjukkan bahwa belerang bersifat amorf dalam S@pPAN.

Gambar 1 Pola XRD dari S@pPAN

Uji kekuatan tarik dilakukan masing-masing pada film SCMC dan film CMC, dan kurva tegangan-regangan ditunjukkan pada Gambar. 2. Efek peningkatan SWCNT pada sifat mekanik komposit polimer terutama bergantung pada efisiensi transfer tegangan tinggi antara SWCNT dan antarmuka polimer. Ikatan kimia terbentuk antara SWCNT dan bahan polimer dan kohesi antarmuka dari bahan komposit ditingkatkan, sehingga meningkatkan kemampuan transfer tegangan dari bahan komposit. Pada penelitian ini, kekuatan tarik ultimit dari film komposit SCMC meningkat sebanyak 41 kali lipat. SWCNT juga memiliki keunggulan tersendiri dalam meningkatkan ketangguhan material komposit. Luas integral dari kurva tegangan-regangan sesuai dengan ketangguhan retak material, dan luas integral dari film SCMC pada Gambar 2 meningkat secara signifikan, menunjukkan bahwa ketangguhan retaknya meningkat secara signifikan. Hal ini disebabkan mekanisme menjembatani SWCNTs. Selama proses deformasi dan fraktur material yang mengalami gaya eksternal, SWCNT dalam material komposit dapat secara efektif menghubungkan retakan mikro dan menunda perambatan retakan, memainkan peran ketangguhan.

Gambar 2 Kurva tegangan-regangan film SCMC dan CMC dengan inset menunjukkan kurva film CMC yang diperbesar

Sifat elektrokimia

Kinerja siklus dari dua kelompok baterai diuji pada kerapatan arus 2C, dan kerapatan areal bahan aktif positif adalah 0.64 mg cm--2. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Kapasitas spesifik pengosongan dari dua baterai sangat dekat dalam 15 siklus awal, dan kemudian kapasitas spesifik baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li mulai menurun dengan cepat, sedangkan baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dapat terus stabil , jarak antara dua kapasitas spesifik pengosongan secara bertahap melebar. Setelah 140 siklus, kapasitas debit spesifik baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li adalah 1195,4 mAh∙g-1, dan tingkat retensi kapasitas spesifik terkait adalah 84,7 persen . Namun, kapasitas spesifik baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li hanya 1012,1 mAh∙g-1, dan tingkat retensi kapasitas spesifik adalah 71,7 persen , jauh lebih rendah dari sebelumnya. Hasil pengujian cycle performance menunjukkan bahwa penambahan SWCNT dapat secara efektif meningkatkan stabilitas siklus baterai. Alasannya adalah sifat mekanik yang sangat baik dan konduktivitas SWCNT yang sangat baik tidak hanya meningkatkan stabilitas antarmuka elektroda tetapi juga meningkatkan konduktivitas elektroniknya. Dibandingkan dengan pengikat lain pada Tabel 1, stabilitas siklus baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li luar biasa, menunjukkan bahwa SCMC memiliki daya saing yang kuat dalam pengikat baterai lithium-sulfur yang praktis.

Gbr. 3 Performa bersepeda S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li pada laju 2C

Tabel 1 Perbandingan kinerja elektrokimia katoda berbasis sulfur dengan bahan pengikat yang berbeda

S @ pPAN dengan belerang rantai pendek yang dicangkokkan dalam struktur tangga konduktif secara langsung menyadari mekanisme reaksi konversi padat-padat, menghindari pembubaran dan bolak-balik polisulfida. Untuk memverifikasi bahwa elektroda S@pPAN/SCMC tidak memiliki angkutan polisulfida selama reaksi elektrokimia, analisis XPS dilakukan pada anoda litium baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li setelah 50 siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Spektrum XPS menunjukkan puncak karakteristik elemen seperti oksigen, fluor, karbon, dan fosfor, di antaranya fluor dan fosfor berasal dari sisa garam litium (LiPF6) dalam elektrolit, dan karbon dan oksigen berasal dari bagian sisa pelarut organik. Tidak ada puncak karakteristik terkait belerang yang terdeteksi pada anoda litium, yang menunjukkan bahwa tidak ada bolak-balik pembubaran polisulfida selama proses pengisian dan pengosongan baterai.

Gbr. 4 Spektrum total anoda litium XPS untuk baterai S@pPAN/ SCMC|LiPF6|Li setelah 50 siklus pada kecepatan 1C dengan inset menunjukkan performa siklus yang sesuai selama 50 siklus

Gambar 5(a,b) adalah karakteristik kurva pengisian dan pengosongan dari dua kelompok baterai pada siklus ke-1, ke-2, ke-10, ke-20, ke-50, ke-70, dan ke-100 pada laju 2C. Platform pelepasan adalah fitur penting yang mencerminkan mekanisme reaksi internal katoda belerang. Histeresis tegangan material komposit S@pPAN signifikan pada siklus pelepasan pertama, dan setelah siklus awal, konduktivitas elektroda ditingkatkan, yang mengarah ke peningkatan dataran tinggi dalam proses pelepasan. Platform pelepasan baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li pada siklus kedua sama-sama 1,72 V, dan platform pengisian daya sekitar 2,29 V, yang konsisten dengan literatur. Kurva charge-discharge baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li memiliki tingkat kebetulan yang tinggi dari siklus ke-2 hingga siklus ke-70, yang menunjukkan bahwa polarisasi internal baterai sedikit berubah selama siklus, dan antarmuka elektroda/elektrolit sangat stabil. Kurva charge-discharge baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yang sesuai tumpang tindih rendah, dan dataran tinggi tegangan kurva muatan naik secara signifikan. Seiring bertambahnya jumlah siklus, polarisasi internal baterai meningkat secara signifikan, menghasilkan stabilitas siklus yang buruk pada baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li.

Gambar 5 Kurva pelepasan muatan (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li pada laju 2C

Gambar 6 menunjukkan hasil uji kinerja laju dua kelompok baterai dengan kepadatan arus masing-masing 0.5C, 1C, 3C, 5C, 7C, dan 0.5C. Tidak ada perbedaan yang signifikan dalam kapasitas spesifik pelepasan dari dua kelompok elektroda saat pengisian dan pengosongan pada kerapatan arus rendah. Namun, seiring meningkatnya kerapatan arus, kapasitas spesifik reversibel baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li semakin rendah, dan hanya 971,8 mAh∙g-1 pada 7C. Saat ini, baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li masih dapat mempertahankan kapasitas spesifik tinggi sebesar 1147 mAh∙g-1, dan saat kepadatan arus kembali ke 0.5C, kapasitas spesifik kedua kelompok baterai pada dasarnya dipulihkan. Hasil pengujian kinerja laju menunjukkan bahwa baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li masih memiliki kapasitas spesifik yang tinggi ketika diisi dan dikosongkan dengan cepat pada arus tinggi, karena penambahan SWCNT meningkatkan konduktivitas elektronik massal di dalam elektroda. Lembar elektroda membentuk jaringan konduktif, yang dapat secara efektif menyebarkan kerapatan arus, dan belerang bersentuhan penuh dengan kerangka konduktif yang dibentuk oleh SWCNT selama siklus, kinetika konversi belerang pada permukaan elektroda meningkat secara signifikan, dan tingkat pemanfaatan belerang lebih tinggi.

Gambar 6 Tingkat kinerja S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Untuk mengeksplorasi pengaruh penambahan SWCNT pada kinerja katoda belerang, uji voltametri siklik dilakukan pada dua kelompok baterai, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 7(a,b). Kurva voltametri siklik menunjukkan bahwa puncak redoks kedua kelompok baterai tidak bergeser secara signifikan selama tiga siklus pertama. Namun, bentuk puncak baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li lebih tajam dan arus puncak (Ip) lebih besar, menunjukkan bahwa kinetika reaksi elektroda baterai lebih baik. Hal ini disebabkan penambahan SWCNT untuk meningkatkan konduktivitas potongan tiang, yang secara efektif meningkatkan kinerja elektrokimia baterai.

Gambar 7 kurva CV dari (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dan (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Untuk menganalisis lebih lanjut mekanisme kinerja elektrokimia elektroda S@pPAN/SCMC, penelitian ini menggunakan SEM untuk mengamati morfologi permukaan kedua kelompok potongan elektroda positif setelah 100 siklus. Dapat dilihat dari Gambar 8(a,c) bahwa terdapat sejumlah besar retakan pada permukaan elektroda positif S@pPAN/CMC pada kedua kelompok baterai, dan bahkan fenomena bubuk yang terlihat. Namun, struktur katoda S@pPAN/SCMC tetap utuh, dan tidak ada retakan yang terlihat di permukaan. S@pPAN bulat dapat dilihat pada panah kuning pada Gambar 8(b, d). Perlu dicatat bahwa pada Gambar 8(b), dapat dilihat bahwa SWCNT dapat secara efektif menutupi permukaan partikel bahan aktif dan membangun saluran konduksi elektron berkecepatan tinggi untuk seluruh elektroda. Dan elektroda dapat menjaga integritas struktural selama siklus elektrokimia, yang membuktikan bahwa SWCNT dapat mengurangi perubahan volume selama pengisian dan pengosongan serta meningkatkan stabilitas mekanik elektroda.

Gambar 8 SEM gambar morfologi permukaan elektroda (a,b) S@pPAN/SCMC dan (c,d) S@pPAN/CMC setelah 100 siklus

Kegagalan analisa

Untuk memverifikasi mekanisme kegagalan baterai, baterai dipasang kembali dengan elektroda positif siklus dalam penelitian ini, dan elektroda negatif, pemisah, dan elektrolit diganti. Perlu dicatat bahwa setelah 118 siklus baterai S@pPAN/CMC|LiPF6|Li, struktur elektroda positif runtuh dan bahkan terlepas dari pengumpul arus, yang selanjutnya dapat dikonfirmasi oleh SEM. Lembar katoda S@pPAN/CMC yang runtuh secara struktural tidak dapat dirakit menjadi baterai tombol dengan lembaran litium dan elektrolit baru. Kapasitas baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yang dirakit untuk pertama kali turun secara tiba-tiba setelah 105 siklus pada kerapatan arus 1C (kapasitas spesifiknya adalah 1286,4 mAh∙g-1), dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 9. Setelah 122 siklus, lembaran elektrolit dan litium diganti, dan baterai tombol dipasang kembali, di mana jenis dan jumlah elektrolit yang ditambahkan konsisten dengan baterai rakitan pertama. Baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yang dipasang kembali terus menjalani uji pengisian dan pengosongan dalam kondisi pengujian yang sama. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kapasitas spesifik baterai yang dipasang kembali dapat mencapai 1282,6 mAh∙g-1 setelah 18 siklus, dan kapasitas spesifik pulih hingga 91,3 persen (berdasarkan kapasitas spesifik pelepasan siklus kedua sebesar 1405,1 mAh∙g-1). Ini menegaskan bahwa hilangnya kapasitas baterai terutama disebabkan oleh stabilitas anoda, dendrit, dan reaksi antarmuka yang buruk yang menyebabkan konsumsi elektrolit dan peningkatan impedansi internal.

Gbr. 9 Performa bersepeda S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li pada laju 1C sebelum dan sesudah pemasangan kembali

Kesimpulan

Dalam penelitian ini, jenis baru perekat jaringan tiga dimensi dirancang. Dengan menambahkan SWCNT, ketangguhan perekat meningkat secara signifikan, dan kekuatan tarik akhir meningkat menjadi 41 kali lipat dari sampel yang tidak dimodifikasi. Baterai S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li dapat didaur ulang secara stabil selama 140 siklus pada kerapatan arus 2C, tingkat retensi kapasitas spesifik baterai adalah 84,7 persen , dan kapasitas spesifik tinggi 1147 mAh∙g-1 masih dapat dipertahankan pada kerapatan arus tinggi 7C , dan tidak ada retakan pada elektroda setelah bersepeda, menunjukkan bahwa kombinasi CMC dan SWCNT tidak hanya dapat meningkatkan efek pengikatan, tetapi juga mempercepat kinetika reaksi selama proses pengisian dan pengosongan, dan secara efektif mengurangi perubahan volume elektroda positif S@pPAN. Metode modifikasi pengikat dalam penelitian ini sederhana dan ramah lingkungan, dan dapat diterapkan tidak hanya pada katoda baterai lithium-sulfur dengan kapasitas pemuatan tinggi dan kerapatan pemadatan tinggi, tetapi juga pada sistem baterai sekunder lainnya yang cocok untuk pengikat berbahan dasar air.

Lebih banyak ion LitiumBahan BateraidariTOB Energi Baru