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
Abstrak
Komposit poli(akrilonitril) (S@pPAN) tersulfurisasi tersulfurisasi sebagai bahan katoda baterai Li-S mewujudkan mekanisme reaksi konversi padat-padat tanpa pembubaran polisulfida. Namun, karakteristik permukaan dan antarmukanya mempengaruhi kinerja elektrokimia secara signifikan, dan ada juga perubahan volume yang nyata selama siklus elektrokimia. Dalam penelitian ini, karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNT) dan natrium karboksimetil selulosa (CMC) digunakan sebagai pengikat katoda S@pPAN untuk mengatur permukaan S@pPAN dan mengurangi perubahan volume selama pengisian dan pengosongan. Pada kerapatan arus 2C, tingkat retensi kapasitas baterai setelah 140 siklus adalah 84,7 persen , dan kapasitas spesifik tinggi 1147 mAh∙g-1 masih dapat dipertahankan pada kerapatan arus tinggi 7C. Kekuatan tarik utama untuk film pengikat komposit meningkat 41 kali setelah menambahkan SWCNT, dan pengikat komposit menjamin antarmuka elektroda yang lebih stabil selama operasi, sehingga secara efektif meningkatkan stabilitas siklus baterai lithium-sulfur yang dirakit.
Kata kunci:baterai lithium-sulfur, katoda S@pPAN, natrium karboksimetil selulosa; pengikat, antarmuka yang stabil
Baterai lithium-ion tradisional memiliki keunggulan proses penyiapan yang sederhana dan penggunaan yang mudah, tetapi masalah densitas energi yang rendah (umumnya kurang dari 250 Wh∙kg-1) dan biaya tinggi masih menonjol. Baterai litium-sulfur memiliki densitas energi spesifik teoretis yang lebih tinggi (2600 Wh∙kg-1), dan dianggap sebagai baterai isi ulang sekunder generasi berikutnya dengan potensi pengembangan yang besar. Selain itu, unsur belerang memiliki keunggulan cadangan melimpah, biaya rendah, dan kapasitas spesifik teoretis 1672 mAh·g-1. Namun, elektroda positif belerang unsur tradisional akan mengalami perubahan volume yang besar (sekitar 80 persen ) dan bubuk elektroda selama proses pengisian dan pengosongan, sehingga mempersingkat masa pakai baterai. Dan itu akan menghasilkan polisulfida yang larut, menghasilkan efek ulang-alik, yang pada akhirnya menyebabkan serangkaian masalah seperti penggunaan bahan aktif yang rendah dan stabilitas siklus baterai yang buruk. Untuk mengurangi dampak shuttle effect pada kinerja baterai, para peneliti telah mengembangkan banyak bahan katoda komposit berbasis sulfur untuk meningkatkan kinerja baterai lithium-sulfur. Seperti bahan komposit karbon-sulfur, polimer konduktif dan bahan komposit yang dibentuk oleh oksida logam dan belerang. Tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNTs) adalah aditif serba guna dengan keunggulan kepadatan rendah, ringan, dan konduktivitas listrik yang baik. Pada penelitian ini, sodium karboksimetil selulosa dimodifikasi dengan menambahkan SWCNT untuk meningkatkan ketangguhan dan kekuatan tarik ultimate pengikat. Penerapan pengikat komposit ini (dilambangkan sebagai SCMC) dalam baterai lithium-sulfur dengan S@pPAN sebagai bahan katoda dapat secara signifikan meningkatkan stabilitas siklus baterai.
Metode eksperimen
1.1 Persiapan bahan
Timbang sejumlah poliakrilonitril (Mw{0}}.5×105, Aldrich) dan unsur belerang sesuai dengan rasio massa 1:8, tambahkan etanol absolut dalam jumlah yang sesuai sebagai dispersan, dan campurkan secara merata di dalam tabung ball mill batu akik yang tertutup rapat. Setelah penggilingan bola selama 6 jam, itu dikeringkan dalam oven ledakan pada 60 derajat. Setelah kering, giling campuran balok dengan baik. Kemudian sejumlah bubuk campuran ditimbang dan ditempatkan dalam perahu kuarsa, dan suhu dinaikkan hingga 300 derajat dalam tungku tabung di bawah atmosfer pelindung nitrogen, dan disimpan selama 6,5 jam untuk mendapatkan bubuk hitam S@pPAN dengan fraksi massa sulfur 41 persen. Timbang 20 mg SWCNT ke dalam botol sampel, lalu tambahkan 0,5 mg·mL-1 sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS). Setelah perawatan ultrasonik selama 10 jam, CMC (Mw=7×105, Aldrich) ditambahkan ke suspensi SWCNT (rasio massa CMC dan SWCNT adalah 2:1) dan diaduk selama 2 jam untuk mendapatkan SCMC, dan fraksi massa kandungan padatnya adalah 1 persen. Selain itu, CMC yang digunakan dalam eksperimen kontrol sama persis dengan CMC yang digunakan dalam sintesis SCMC di atas tanpa perlakuan lain. Larutkan CMC dalam air deionisasi, fraksi massa CMC adalah 1 persen , dan sampel diberi label sebagai CMCP.
1.2 Persiapan elektroda dan perakitan baterai
S@pPAN, Super P dan bonding slurry (SCMC atau CMCP) ditimbang menurut perbandingan massa 8:1:1. Masukkan ke dalam tangki polytetrafluoroethylene untuk penggilingan bola selama 2 jam, dan massa bubur berikat dihitung sesuai dengan massa komponen fase padat. Bubur dilapisi pada aluminium foil berlapis karbon dengan aplikator film, dan setelah dikeringkan pada suhu kamar, bubur dipotong menjadi cakram ϕ12 mm dengan mikrotom, dan dikeringkan dalam oven ledakan pada 70 derajat selama 6 jam. Setelah pra-pengeringan, potongan tiang diproses dengan tablet press di bawah tekanan 12 MPa untuk mengurangi ketebalan potongan tiang dan meningkatkan kepadatan pemadatan potongan tiang, dan kemudian melanjutkan pengeringan vakum pada 70 derajat selama 6 jam. Setelah suhu oven vakum turun ke suhu kamar, potongan tiang segera dipindahkan ke kotak sarung tangan untuk ditimbang dan disisihkan. Pemuatan bahan aktif per satuan luas katoda dalam penelitian ini adalah sekitar 0,6 mg∙cm-2. Elektroda berdasarkan SCMC dan CMCP masing-masing dilambangkan sebagai S@pPAN/SCMC dan S@pPAN/CMC.
1.3 Uji kinerja elektrokimia
2016-Baterai tombol jenis 2016-dirakit dalam urutan wadah elektroda positif, lembaran elektroda positif, pemisah, dan lembaran litium. Elektrolitnya adalah larutan 1 mol L-1 LiPF6 etilena karbonat (EC)/dimetil karbonat (DMC) (rasio volume 1 : 1) ditambah fraksi massa 10 persen fluoroetilen karbonat (10 persen FEC), Diafragma adalah diafragma polietilen (PE).
Gunakan sistem uji baterai Xinwei untuk melakukan uji pengisian dan pengosongan arus konstan pada baterai rakitan. Baterai didiamkan selama 4 jam sebelum bersepeda untuk sepenuhnya menyusup ke pemisah dan elektroda dengan elektrolit. Tegangan cut-off charge-discharge berkisar dari 1.0 hingga 3.0 V, dan suhu konstan 25 derajat dipertahankan selama bersepeda. Uji siklus jangka panjang dilakukan pada kerapatan arus 2C, dan kinerja kecepatan baterai diuji pada kerapatan arus 0.5C, 1C, 3C, 5C, dan 7C. Cyclic voltammetry (CV) dilakukan pada stasiun kerja elektrokimia CHI 760E dengan laju pemindaian 1 mV s-1. Kapasitas spesifik dihitung berdasarkan komponen aktif belerang.
1.4 Karakterisasi Sifat Fisik
Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) digunakan untuk menganalisis elemen permukaan lembaran litium setelah siklus baterai, dan persiapan sampel diselesaikan dalam kotak sarung tangan. Spektrum XRD dari bahan S@pPAN diuji dengan X-ray diffractometer (XRD).
Kurva tegangan-regangan perekat diuji dengan penganalisa termomekanis dinamis (DMA Q850). Proses preparasi sampel adalah sebagai berikut: jatuhkan CMCP dan SCMC pada permukaan pelat polytetrafluoroethylene yang rata dan bersih, masukkan ke dalam blast oven pada suhu 55 derajat selama 8 jam untuk membentuk film, dan potong menjadi strip untuk pengujian, masing-masing dilambangkan sebagai film CMC dan membran SCMC.
Elektroda yang didaur ulang dicuci tiga kali dengan jumlah pelarut DMC yang sesuai dalam kotak sarung tangan untuk menghilangkan sisa elektrolit di permukaan, dan dikeringkan secara alami. Morfologi sampel diamati dengan mikroskop elektron (SEM).
Lebih banyak ion LitiumBahan BateraidariTOB Energi Baru
