固態(tài)電解質(zhì)提高電池安全性能技術(shù)研究

【引言】

鋰硫電池由于具有高的理論能量密度而受到研究人員的廣泛關(guān)注。向鋰硫電池體系中引入固態(tài)電解質(zhì)，不僅能抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)及其導(dǎo)致的庫侖效率下降及容量衰減等問題，還能解決循環(huán)充放電過程中形成的鋰枝晶導(dǎo)致的安全隱患。要提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性，就需要在深入理解固態(tài)電解質(zhì)的形成機(jī)理及導(dǎo)電機(jī)制的基礎(chǔ)上，研發(fā)同時(shí)具有高的離子選擇性及高的鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)材料。

【成果簡介】

近日，美國麻省理工學(xué)院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大學(xué)的張校剛教授（共同通訊作者）及徐桂銀博士（第一作者）等采用鋰硫電池常用的醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳納米管紙（以下分別用CNTP和ACNTP表示酸化處理前、后的碳納米管紙）誘導(dǎo)1,3-二氧戊環(huán)（DOL）進(jìn)行陽離子原位聚合，在ACNTP表面原位生成了柔性、可自愈的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。這種固態(tài)電解質(zhì)薄膜具有高度的離子選擇性，能將可溶性多硫化物密封在正極室，但允許鋰離子的雙向通過，從而有效抑制了穿梭效應(yīng)，并提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。以金屬鋰作為負(fù)極，以負(fù)載硫的活性炭（AC/S）作為正極，采用常用的醚基電解質(zhì)溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP為聚丙烯）三明治結(jié)構(gòu)作為隔膜構(gòu)成的扣式電池，在電化學(xué)測試中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性當(dāng)充放電倍率為1C（1675 mA/g）時(shí)，其初始比容量為683 mAh/g，在循環(huán)充放電400圈后仍保持有454 mAh/g的放電比容量。該鋰硫電池的庫侖效率高達(dá)99%，平均每圈循環(huán)伴隨的容量衰減僅為0.1%。該研究成果以“Ad hocsolid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”為題，發(fā)表在Energ. Environ. Sci.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. ACNTP誘導(dǎo)DOL的陽離子原位聚合

(a) 縱橫交錯(cuò)的鋼筋網(wǎng)。向鋼筋網(wǎng)上傾倒液態(tài)混凝土并使之固化，即可得到堅(jiān)固的鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)。

(b) ACNTP在醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液中誘導(dǎo)DOL發(fā)生陽離子原位聚合的過程示意圖。

(c) 未接觸電解質(zhì)溶液的ACNTP；(d) 與電解質(zhì)溶液接觸后形成的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)；(e) 經(jīng)過循環(huán)充放電后的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)的SEM圖像。

圖2. 固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械性能測試

用SEM中的納米操縱探針對ACNTP上原位生成的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行(a) 劃痕實(shí)驗(yàn)；(b) 拉伸實(shí)驗(yàn)。

圖3. 電化學(xué)性能表征

(a) 鋰硫電池體系中含有ACNTP時(shí)AC/S正極的循環(huán)伏安曲線，掃描速度為0.2 mV/s。

(b, c) 充放電倍率為0.5C時(shí)，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時(shí)的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充放電曲線；(c) 長循環(huán)穩(wěn)定性能。

(d) 充放電倍率為1C時(shí)，含有ACNTP時(shí)AC/S正極的長循環(huán)穩(wěn)定性能及庫侖效率。

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