리튬황전지 S@pPAN 음극용 유연 바인더 - 2부

리튬황전지 S@pPAN 음극용 유연 바인더 - 2부

LI Tingting, ZHANG Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, WANG Jiulin. 리튬황전지 S@pPAN 음극용 유연 바인더. 무기재료저널, 2022, 37(2): 182-188 DOI:10.15541/jim20210303

물리적 특성 특성화

S@pPAN에 존재하는 황의 형태 XRD로 재료를 조사했습니다. 복합재에 삽입된 황은 다음과 같습니다. 분자 단위에서도 크기가 10나노미터 미만인 아주 작은 입자입니다. 수준, 비정질 복합재를 형성합니다. 2θ=25.2°의 특성 피크는 그림 1은 흑연화된 결정면(002)에 해당하며, 복합체의 황 회절 피크는 황이 S@pPAN의 무정형.

그림. 1 XRD S@pPAN의 패턴

인장 강도 테스트는 SCMC에서 수행되었습니다. 필름과 CMC 필름 각각, 응력-변형률 곡선은 다음과 같습니다. 그림 2. SWCNT의 기계적 특성 향상 효과 고분자 복합재는 주로 높은 응력 전달 효율에 달려 있습니다. SWCNT와 폴리머 인터페이스 사이. SWCNT 사이에 화학 결합이 형성되었습니다. 고분자 재료와 복합재료의 계면 응집력 개선되어 복합재의 응력 전달 능력이 향상되었습니다. 재료. 본 연구에서는 SCMC 복합재료의 극한 인장강도를 영화는 41 배 증가했습니다. SWCNT는 개선에도 장점이 있습니다. 복합 재료의 인성. 응력-변형률의 적분 면적 곡선은 재료의 파괴 ​​인성에 해당하며 적분 그림 2의 SCMC 필름 면적이 크게 증가하여 파괴인성이 대폭 향상되었습니다. 이는 브릿지 때문이다. SWCNT의 메커니즘. 재료의 변형 및 파괴 과정 중 외부 힘에 노출되면 복합 재료의 SWCNT는 효과적으로 미세균열을 연결하고 균열전파를 지연시켜 강화시키는 역할을 한다.

그림. 2 SCMC 및 CMC의 응력-변형률 곡선 CMC 필름의 해당 확대 곡선을 보여주는 삽입된 필름

전기화학적 특성

두 그룹의 사이클 성능 배터리는 2C의 전류 밀도와 면적 밀도에서 테스트되었습니다. 양극 활물질은 0.64 mg cm-2였다. 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 두 배터리의 방전 비용량은 매우 비슷합니다. 초기 15사이클, 그 다음에는 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 비용량 배터리가 급격히 감소하기 시작하는 반면 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리는 계속 안정적으로 유지되고 두 방전 비용량 사이의 격차가 발생합니다. 점차 넓어졌습니다. 140사이클 후에 방전 비용량은 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리는 1195.4mAh…g-1이며 해당 특정 용량 유지율은 84.7%입니다. 그러나 특정 용량의 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li 배터리는 1012.1mAh…g-1에 불과하며 특정 용량은 유지율은 71.7%로 전보다 많이 낮아졌다. 주기 성능 테스트 결과, SWCNT를 추가하면 효과적으로 배터리의 사이클 안정성을 향상시킵니다. 그 이유는 우수한 SWCNT의 기계적 성질과 우수한 전도성은 전극의 인터페이스 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 전자성을 향상시킵니다. 전도도. 표 1의 다른 바인더와 비교하여, 사이클 안정성은 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리가 뛰어나 SCMC가 강력하다는 것을 나타냅니다. 실용적인 리튬-황 전지 바인더의 경쟁력.

그림. 3 자전거 타기 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 및 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 성능 2C 비율로

표 1 전기화학적 성능 비교 다양한 바인더를 사용한 황 기반 음극

단쇄 황이 접목된 S@pPAN 전도성 사다리 구조로 고체-고체 변환을 직접 실현 폴리설파이드의 용해 및 이동을 방지하는 반응 메커니즘. ~ 안에 S@pPAN/SCMC 전극에 폴리설파이드가 없는지 확인하기 위해 전기화학 반응 동안 셔틀, XPS 분석이 수행되었습니다. 50사이클 후 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리의 리튬 양극(그림 참조) 그림 4. XPS 스펙트럼은 다음과 같은 요소의 특징적인 피크를 보여줍니다. 산소, 불소, 탄소, 인 중 불소와 인 전해질의 잔류 리튬염(LiPF6)에서 유래되며, 탄소와 산소는 잔류 유기 용매의 일부에서 파생됩니다. 아니요 황 관련 특성 피크가 리튬 양극에서 검출되었으며, 이는 동안 폴리설파이드의 용해 이동이 없었음을 나타냅니다. 배터리의 충전 및 방전 과정

그림 4 XPS S@pPAN/ SCMC|LiPF6|Li 배터리용 리튬 양극의 전체 스펙트럼 1C 속도로 50사이클 후 해당 항목을 보여주는 삽입 50사이클 동안의 사이클링 성능

그림 5(a, b)는 두 그룹의 배터리의 특성 충전 및 방전 곡선 2C 속도로 1차, 2차, 10차, 20차, 50차, 70차 및 100차 사이클. 방전 플랫폼은 내부 반응 메커니즘을 반영하는 중요한 기능입니다. 황 음극. S@pPAN 복합재료의 전압 히스테리시스는 다음과 같습니다. 첫 번째 방전 주기에서는 중요하며, 첫 주기 후에는 전극의 전도성이 향상되어 안정도가 증가합니다. 방전 과정. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li의 방전 플랫폼 및 두 번째 사이클의 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li 배터리는 모두 1.72V이며 충전 플랫폼은 약 2.29V이며 이는 문헌과 일치합니다. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리의 충전-방전 곡선은 매우 높습니다. 2주기부터 70주기까지의 일치 정도가 일치함을 알 수 있다. 배터리의 내부 극성은 사이클 동안 거의 변하지 않으며, 전극/전해질 계면은 매우 안정적입니다. 해당 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li 배터리 충전-방전 곡선 중첩이 낮고 충전 곡선의 전압 안정기가 크게 상승합니다. 수만큼 사이클이 증가하면 배터리의 내부 분극이 증가합니다. 이로 인해 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 주기 안정성이 저하됩니다. 배터리.

그림. 5 충전-방전 (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 및 (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li 곡선 2C 비율로

그림 6은 속도를 보여줍니다. 전류 밀도에서 두 그룹의 배터리에 대한 성능 테스트 결과 각각 0.5C, 1C, 3C, 5C, 7C, 0.5C. 유의미한 것은 없다 두 전극 그룹의 방전 비용량 차이 낮은 전류 밀도에서 충전 및 방전할 때. 그러나 현재와 같이 밀도가 증가하면 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 가역 비용량이 증가합니다. 배터리는 점점 낮아지고 있으며 7C에서는 971.8mAh...g-1에 불과합니다. 이때, S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리는 여전히 높은 비용량을 유지할 수 있습니다. 1147mAh…g-1, 전류밀도가 0.5C로 되돌아오면, 비용량은 두 그룹의 배터리는 기본적으로 복원됩니다. 속도 성능 테스트 결과는 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리가 여전히 높은 특정 특성을 가지고 있음을 보여줍니다. 높은 전류로 빠르게 충전 및 방전할 때 용량이 크므로 SWCNT를 추가하면 내부의 벌크 전자 전도성이 향상됩니다. 전극. 전극 시트는 전도성 네트워크를 형성합니다. 전류 밀도를 효과적으로 분산시키고 유황이 완전히 접촉됩니다. 사이클 동안 SWCNT에 의해 형성된 전도성 골격으로 황 전극 표면의 변환 속도가 크게 향상되었으며, 유황의 이용률이 더 높습니다.

그림. 6 비율 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 및 S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 성능

SWCNT를 첨가하는 효과를 알아보기 위해 황 음극의 성능, 순환 전압전류법 테스트가 수행되었습니다. 두 그룹의 배터리를 비교한 결과는 그림 7(a, b)에 나와 있습니다. 순환 전압전류법 곡선은 두 그룹 모두의 산화환원 피크를 보여주었습니다. 처음 3주기 동안 배터리는 크게 움직이지 않았습니다. 하지만, S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리의 피크 모양이 더 날카롭고 피크 전류(Ip)가 더 크며 이는 전극 반응 속도가 더 크다는 것을 나타냅니다. 배터리가 더 좋습니다. 이는 SWCNT를 추가하여 폴 피스의 전도성을 향상시켜 전기화학 특성을 효과적으로 향상시킵니다. 배터리 성능.

그림. 7 이력서 (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 및 (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li 곡선

더 자세한 메커니즘을 분석하기 위해 S@pPAN/SCMC 전극의 전기화학적 성능, 본 연구에서는 SEM을 사용하였다. 두 그룹의 양극의 표면 형태를 관찰하기 위해 100주기 후에 조각. 그림 8(a, c)에서 볼 수 있듯이 S@pPAN/CMC 양극 표면에 다수의 균열 발생 두 그룹의 배터리, 심지어 눈에 보이는 가루 현상. 하지만, S@pPAN/SCMC 음극의 구조는 그대로 유지되었으며 눈에 띄는 균열도 없었습니다. 표면에 나타났습니다. 구형 S@pPAN은 노란색 화살표에서 볼 수 있습니다. 그림 8(b, d)에서. 그림 8(b)에서 다음과 같은 사실을 볼 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. SWCNT는 활물질 입자의 표면을 효과적으로 덮고 구축할 수 있습니다. 전체 전극에 대한 고속 전자 전도 채널. 그리고 전극은 전기화학적 사이클링 중에 구조적 무결성을 유지할 수 있습니다. 이는 SWCNT가 충전 중 부피 변화를 완화할 수 있음을 입증하고 방전을 방지하고 전극의 기계적 안정성을 향상시킵니다.

무화과. 8 SEM (a, b) S@pPAN/SCMC 및 (c, d) S@pPAN/CMC의 표면 형태 이미지 100사이클 후 전극

실패분석

고장 메커니즘을 확인하기 위해 배터리, 배터리는 순환 양극으로 재조립되었습니다. 이번 연구에서는 음극, 분리막, 전해액 등을 교체되었습니다. S@pPAN/CMC|LiPF6|Li의 118주기 이후에 주목할 가치가 있습니다. 배터리의 양극 구조가 무너져 심지어 배터리에서 떨어져 나간 경우도 있습니다. 이는 SEM으로 추가로 확인할 수 있는 집전체입니다. 구조적으로 접힌 S@pPAN/CMC 음극 시트는 버튼 배터리로 조립할 수 없습니다. 새로운 리튬 시트와 전해질을 사용합니다. 용량은 S@pPAN/SCMC|LiPF6|처음 조립한 Li 배터리가 갑자기 떨어졌습니다. 전류밀도 1C에서 105사이클 후(비용량은 1286.4) mAh…g-1), 그 결과는 그림 9에 나와 있습니다. 122사이클 후, 전해액과 리튬시트를 교체하였고, 버튼전지도 교체하였습니다. 추가된 전해질의 유형과 양이 일관되게 재조립되었습니다. 첫 번째로 조립된 배터리와 함께. 재조립된 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리 동일한 테스트 조건에서 계속해서 충전 및 방전 테스트를 거쳤습니다. 테스트 결과는 재조립된 배터리의 특정 용량이 18사이클 후에 1282.6mAh...g-1에 도달하고 특정 용량은 다음으로 회복됩니다. 91.3% (1405.1의 2차 사이클 방전 비용량 기준) mAh...g-1). 이는 배터리 용량 손실이 주로 원인에 있음을 확인시켜줍니다. 양극, 수상돌기 및 계면 반응의 열악한 안정성으로 인해 전해질 소모 및 내부 임피던스 증가.

그림. 9 자전거 타기 이전 1C 속도에서 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li의 성능 그리고 다시 조립한 후

결론

본 연구에서는 새로운 형태의 3차원 입체 네트워크 접착제가 설계되었습니다. SWCNT를 첨가하여 접착제의 인성을 높였습니다. 크게 증가했으며 최대 인장 강도는 41로 증가했습니다. 수정되지 않은 샘플의 시간입니다. S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li 배터리는 다음과 같습니다. 전류밀도 2C에서 140사이클 동안 안정적으로 순환, 특정 용량 배터리 유지율은 84.7%, 1147의 높은 비용량 mAh...g-1은 여전히 ​​7C의 높은 전류 밀도를 유지할 수 있으며, 사이클링 후 전극에 균열이 없으며 이는 CMC의 조합을 나타냅니다. SWCNT는 결합 효과를 향상시킬 뿐만 아니라 충전 및 방전 과정 중 반응 동역학을 효과적으로 파악하고 S@pPAN 양극의 부피 변화를 완화합니다. 바인더 본 연구의 수정 방법은 간단하고 환경친화적이며, 고부하 리튬-황 전지 양극뿐만 아니라 적용 가능 용량 및 높은 압축밀도는 물론 다른 2차전지에도 적용 가능 수성 바인더에 적합한 시스템입니다.

<393<394TOB New Energy<395의 리튬 이온 배터리 소재더 보기