Rhwymwr Hyblyg Ar Gyfer S@pPAN Cathod O Batri Lithiwm Sylffwr - Rhan 2

Rhwymwr Hyblyg ar gyfer Cathod S@pPAN o Batri Lithiwm Sylffwr - Rhan 2

LI Tingting, Zhang Yang, CHEN Jiahang, MIN Yulin, Wang Jiulin. Rhwymwr Hyblyg ar gyfer Cathod S@pPAN o Batri Lithiwm Sylffwr. Journal of Inorganic Materials, 2022, 37(2): 182-188 DOI: 10.15541/jim20210303

Nodweddu Priodweddau Corfforol

Ymchwiliwyd i'r mathau presennol o sylffwr yn y deunyddiau S@pPAN gan XRD. Mewn cyfansoddion, gall y sylffwr rhyngosodedig fod yn ronynnau bach gyda maint llai na 10 nanometr, hyd yn oed ar y lefel foleciwlaidd, gan ffurfio cyfansoddion amorffaidd. Mae'r brig nodweddiadol ar 2θ=25.2 gradd yn Ffigur 1 yn cyfateb i'r plân grisial wedi'i graffiteiddio (002), ac nid oes brig diffreithiant sylffwr yn y cyfansawdd, sy'n dangos bod sylffwr yn amorffaidd yn S@pPAN.

Ffig. 1 patrwm XRD o S@pPAN

Cynhaliwyd y profion cryfder tynnol ar y ffilm SCMC a'r ffilm CMC yn y drefn honno, a dangosir y cromliniau straen-straen yn Ffig. 2. Mae effaith gwella SWCNTs ar briodweddau mecanyddol cyfansoddion polymer yn bennaf yn dibynnu ar yr effeithlonrwydd trosglwyddo straen uchel rhwng SWCNTs a rhyngwynebau polymer. Ffurfiwyd bondiau cemegol rhwng SWCNT a deunyddiau polymer a gwellwyd cydlyniad rhyngwyneb y deunydd cyfansawdd, a thrwy hynny wella gallu trosglwyddo straen y deunydd cyfansawdd. Yn yr astudiaeth hon, cynyddwyd cryfder tynnol eithaf ffilm gyfansawdd SCMC 41 gwaith. Mae gan SWCNT hefyd ei fanteision ei hun o ran gwella caledwch deunyddiau cyfansawdd. Mae ardal annatod y gromlin straen-straen yn cyfateb i wydnwch torri asgwrn y deunydd, ac mae ardal annatod y ffilm SCMC yn Ffigur 2 yn cynyddu'n sylweddol, sy'n dangos bod ei chaledwch torri asgwrn wedi'i wella'n sylweddol. Mae hyn oherwydd mecanwaith pontio SWCNTs. Yn ystod y broses anffurfio a thorri asgwrn o ddeunyddiau sy'n destun grymoedd allanol, gall SWCNTs mewn deunyddiau cyfansawdd gysylltu microcracks yn effeithiol ac oedi lluosogi crac, gan chwarae rôl anoddach.

Ffig. 2 Cromliniau straen-straen o ffilmiau SCMC a CMC gyda mewnosodiad yn dangos cromlin chwyddedig cyfatebol ffilm CMC

Priodweddau electrocemegol

Profwyd perfformiad beicio'r ddau grŵp o fatris ar ddwysedd cyfredol o 2C, a dwysedd arwynebedd y deunydd gweithredol positif oedd 0.64 mg cm-2. Dangosir y canlyniadau yn Ffigur 3. Mae galluoedd rhyddhau penodol y ddau batris yn agos iawn yn y 15 cylch cychwynnol, ac yna mae cynhwysedd penodol y batri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yn dechrau dirywio'n gyflym, tra gall batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li barhau i aros yn sefydlog, mae'r bwlch rhwng y ddau allu rhyddhau penodol wedi ehangu'n raddol. Ar ôl 140 o gylchoedd, cynhwysedd rhyddhau penodol y batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yw 1195.4 mAh∙g-1, a'r gyfradd cadw capasiti penodol gyfatebol yw 84.7 y cant. Fodd bynnag, dim ond 1012.1 mAh∙g-1 yw capasiti penodol S@pPAN/CMC|LiPF6|Batri Li, a'r gyfradd cadw capasiti penodol yw 71.7 y cant, sy'n llawer is na'r cyntaf. Mae canlyniadau profion perfformiad beicio yn dangos y gall ychwanegu SWCNT wella sefydlogrwydd cylch y batri yn effeithiol. Y rheswm yw bod priodweddau mecanyddol rhagorol a dargludedd rhagorol SWCNT nid yn unig yn gwella sefydlogrwydd rhyngwyneb yr electrod ond hefyd yn gwella ei ddargludedd electronig. O'i gymharu â rhwymwyr eraill yn Nhabl 1, mae sefydlogrwydd beiciau batri S@pPAN / SCMC|LiPF6|Li yn rhagorol, sy'n dangos bod gan SCMC gystadleurwydd cryf mewn rhwymwyr batri lithiwm-sylffwr ymarferol.

Ffig. 3 Perfformiadau beicio S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a S@pPAN/CMC|LiPF6|Li ar gyfradd 2C

Tabl 1 Cymharu perfformiad electrocemegol catodau sy'n seiliedig ar sylffwr gyda gwahanol rwymwyr

Mae'r S@pPAN gyda sylffwr cadwyn fer wedi'i impio yn y strwythur ysgol dargludol yn sylweddoli'n uniongyrchol y mecanwaith adwaith trosi solet-solid, gan osgoi diddymu a cau polysylfidau. Er mwyn gwirio nad oes gan yr electrod S@pPAN/SCMC wennol polysylfid yn ystod yr adwaith electrocemegol, cynhaliwyd dadansoddiad XPS ar anod lithiwm y batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ar ôl 50 cylchred, fel y dangosir yn Ffigur 4. Mae sbectrwm XPS yn dangos copaon nodweddiadol o elfennau megis ocsigen, fflworin, carbon, a ffosfforws sy'n deillio o halen, ffosfforws a ffosfforin lithiwm 6) yn yr electrolyte, ac mae carbon ac ocsigen yn deillio o ran o'r toddydd organig gweddilliol. Ni chanfuwyd unrhyw gopaon nodweddiadol sy'n gysylltiedig â sylffwr ar yr anod lithiwm, sy'n dangos na chafwyd hydoddiant o polysulfides yn ystod proses gwefru a gollwng y batri.

Ffig. 4 XPS cyfanswm sbectrwm o anod lithiwm ar gyfer batri S@pPAN/ SCMC|LiPF6|Li ar ôl 50 cylchred ar gyfradd 1C gyda mewnosodiad yn dangos ei berfformiad beicio cyfatebol ar gyfer 50 o feiciau

Ffigur 5(a, b) yw cromliniau gwefr a rhyddhau nodweddiadol y ddau grŵp o fatris ar y cylch 1af, 2il, 10fed, 20fed, 50fed, 70fed a 100fed ar gyfradd 2C. Mae'r llwyfan rhyddhau yn nodwedd bwysig sy'n adlewyrchu mecanwaith adwaith mewnol y catod sylffwr. Mae hysteresis foltedd y deunydd cyfansawdd S@pPAN yn arwyddocaol yn y cylch rhyddhau cyntaf, ac ar ôl y cylch cychwynnol, mae dargludedd yr electrod yn cael ei wella, gan arwain at gynnydd llwyfandir yn y broses ryddhau. Mae llwyfannau rhyddhau batris S@pPAN/SCMC| LiPF6|Li a S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yn yr ail gylchred yn 1.72 V, ac mae'r llwyfannau gwefru tua 2.29 V, sy'n gyson â'r llenyddiaeth. Mae gan gromliniau gwefr-rhyddhau batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li radd cyd-ddigwyddiad uchel o'r 2il gylchred i'r 70fed cylch, sy'n dangos nad yw polareiddio mewnol y batri yn newid fawr ddim yn ystod y cylch, ac mae'r rhyngwyneb electrod/electrolyte yn sefydlog iawn. Mae gorgyffwrdd cromlin gwefr-rhyddhau batri cyfatebol S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yn isel, ac mae llwyfandir foltedd y gromlin wefr yn codi'n sylweddol. Wrth i nifer y cylchoedd gynyddu, mae polareiddio mewnol y batri yn cynyddu'n sylweddol, gan arwain at sefydlogrwydd beicio gwael y batri S@pPAN / CMC|LiPF6|Li.

Ffig. 5 Cromliniau rhyddhau tâl o (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li ar gyfradd 2C

Mae Ffigur 6 yn dangos canlyniadau prawf perfformiad cyfradd dau grŵp o fatris ar ddwysedd cyfredol o 0.5C, 1C, 3C, 5C, 7C, a 0.5C, yn y drefn honno. Nid oes unrhyw wahaniaeth arwyddocaol yng nghapasiti rhyddhau penodol y ddau grŵp o electrodau wrth wefru a gollwng ar ddwysedd cerrynt isel. Fodd bynnag, wrth i'r dwysedd presennol gynyddu, mae gallu penodol cildroadwy'r batri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li yn mynd yn is ac yn is, a dim ond 971.8 mAh∙g-1 ydyw ar 7C. Ar yr adeg hon, gall y batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li barhau i gynnal cynhwysedd penodol uchel o 1147 mAh∙g-1, a phan fydd y dwysedd presennol yn dychwelyd i 0.5C, caiff galluoedd penodol y ddau grŵp o fatris eu hadfer yn y bôn. Mae canlyniadau'r prawf perfformiad cyfradd yn dangos bod gan y batri S@pPAN / SCMC|LiPF6|Li gapasiti penodol uchel o hyd pan gaiff ei wefru a'i ollwng yn gyflym ar gerrynt uchel, oherwydd bod ychwanegu SWCNTs yn gwella'r dargludedd electronig swmp y tu mewn i'r electrod. Mae'r daflen electrod yn ffurfio rhwydwaith dargludol, a all wasgaru'r dwysedd presennol yn effeithiol, ac mae'r sylffwr mewn cysylltiad llawn â'r fframwaith dargludol a ffurfiwyd gan SWCNT yn ystod y cylch, mae cineteg trosi sylffwr ar yr wyneb electrod wedi'i wella'n sylweddol, ac mae cyfradd defnyddio sylffwr yn uwch.

Ffig. 6 Cyfradd perfformiad S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Er mwyn archwilio effaith ychwanegu SWCNTs ar berfformiad y catod sylffwr, cynhaliwyd profion voltammetreg cylchol ar y ddau grŵp o fatris, a dangosir y canlyniadau yn Ffigur 7(a, b). Dangosodd cromliniau foltametreg cylchol nad oedd copaon rhydocs y ddau grŵp o fatris yn newid yn sylweddol yn ystod y tri chylch cyntaf. Fodd bynnag, mae siâp brig y batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yn fwy craff ac mae'r cerrynt brig (Ip) yn fwy, sy'n dangos bod cineteg adwaith electrod y batri yn well. Mae hyn oherwydd ychwanegu SWCNT i gynyddu dargludedd y darn polyn, sy'n gwella perfformiad electrocemegol y batri yn effeithiol.

Ffig. 7 cromliniau CV o (a) S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a (b) S@pPAN/CMC|LiPF6|Li

Er mwyn dadansoddi ymhellach fecanwaith perfformiad electrocemegol yr electrod S@pPAN/SCMC, defnyddiodd yr astudiaeth hon SEM i arsylwi morffoleg wyneb y ddau grŵp o ddarnau electrod positif ar ôl 100 cylchred. Gellir gweld o Ffigur 8(a, c) bod nifer fawr o graciau ar wyneb yr electrod positif S@pPAN/CMC yn y ddau grŵp o fatris, a hyd yn oed ffenomen powdrio gweladwy. Fodd bynnag, arhosodd strwythur y catod S@pPAN/SCMC yn gyfan, ac ni ymddangosodd unrhyw graciau amlwg ar yr wyneb. Mae'r S@pPAN sfferig i'w weld yn y saethau melyn yn Ffig. 8(b, d). Mae'n werth nodi, yn Ffigur 8(b), y gellir gweld y gall SWCNTs orchuddio wyneb gronynnau deunydd gweithredol yn effeithiol ac adeiladu sianel dargludiad electronau cyflym ar gyfer yr electrod cyfan. A gall yr electrod gynnal cywirdeb strwythurol yn ystod beicio electrocemegol, sy'n profi y gall SWCNT liniaru'r newid cyfaint yn ystod tâl a rhyddhau a gwella sefydlogrwydd mecanyddol yr electrod.

Ffig. 8 Delweddau SEM o forffolegau arwyneb (a, b) S@pPAN/ SCMC ac (c, d) S@pPAN/CMC electrodau ar ôl 100 cylchred

Dadansoddiad methiant

Er mwyn gwirio mecanwaith methiant y batri, cafodd y batri ei ailosod gyda'r electrod positif beicio yn yr astudiaeth hon, a disodlwyd yr electrod negyddol, y gwahanydd a'r electrolyte. Mae'n werth nodi, ar ôl 118 o gylchredau o'r batri S@pPAN/CMC|LiPF6|Li, bod y strwythur electrod positif wedi cwympo a hyd yn oed syrthio oddi ar y casglwr presennol, y gellir ei gadarnhau ymhellach gan SEM. Ni ellir cydosod y ddalen catod S@pPAN/CMC sydd wedi cwympo'n strwythurol i mewn i fatri botwm gyda thaflenni lithiwm newydd ac electrolyt. Gostyngodd cynhwysedd y batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li a gasglwyd am y tro cyntaf yn sydyn ar ôl 105 o gylchredau ar ddwysedd cyfredol o 1C (y gallu penodol oedd 1286.4 mAh∙g{7}}), a dangosir y canlyniadau yn Ffigur 9. Ar ôl 122 o gylchoedd cyson, cafodd yr electrolyte a'r lithiwm eu hailosod, a chafodd y batri ei ailosod yn lle'r electrolyte a'r dalen, ac ychwanegwyd yr electrolyte a'r dallen â'r batri yn ei le yn gyntaf. batri mbled. Parhaodd y batri S@pPAN / SCMC|LiPF6|Li a ailgynullwyd i gael profion gwefru a rhyddhau o dan yr un amodau prawf. Mae canlyniadau'r profion yn dangos y gall cynhwysedd penodol y batri wedi'i ail-ymgynnull gyrraedd 1282.6 mAh∙g -1 ar ôl 18 cylch, ac mae'r gallu penodol yn adennill i 91.3 y cant (yn seiliedig ar gapasiti penodol yr ail gylchred rhyddhau o 1405.1 mAh ∙g -1). Mae hyn yn cadarnhau bod colled cynhwysedd y batri yn cael ei briodoli'n bennaf i sefydlogrwydd gwael yr anod, dendritau ac adweithiau rhyngwynebol sy'n arwain at ddefnyddio electrolytau a chynnydd mewn rhwystriant mewnol.

Ffig. 9 Perfformiad beicio S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li ar gyfradd 1C cyn ac ar ôl ail-osod

Casgliad

Yn yr astudiaeth hon, dyluniwyd math newydd o gludiog rhwydwaith tri dimensiwn. Trwy ychwanegu SWCNT, cynyddodd caledwch y glud yn sylweddol, a chynyddodd cryfder tynnol terfynol i 41 gwaith yn fwy na'r sampl heb ei addasu. Gellir beicio'r batri S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li yn sefydlog am 140 o gylchoedd ar ddwysedd cyfredol o 2C, cyfradd cadw cynhwysedd penodol y batri yw 84.7 y cant, a gellir dal i gynnal cynhwysedd penodol uchel o 1147 mAh∙g{8}} ar ddwysedd cerrynt uchel o 7C , a dim ond ar ôl y cyfuniad o feicio CNT a gall gwella electrod MC nid oes modd gwella 7C, a dim ond ar ôl y cyfuniad o feicio CNT ac nid oes modd gwella'r crac yn yr electrod C NT, a dim ond ar ôl y cyfuniad o feicio CNT ac nid oes modd gwella'r crac yn yr electrod C.C. yr effaith bondio, ond hefyd yn cyflymu cineteg yr adwaith yn ystod y broses codi tâl a rhyddhau, a lliniaru newid cyfaint yr electrod positif S@pPAN yn effeithiol. Mae'r dull addasu rhwymwr yn yr astudiaeth hon yn syml ac yn gyfeillgar i'r amgylchedd, a gellir ei gymhwyso nid yn unig i gathodau batri lithiwm-sylffwr â chynhwysedd llwytho uchel a dwysedd cywasgu uchel, ond hefyd i systemau batri eilaidd eraill sy'n addas ar gyfer rhwymwyr sy'n seiliedig ar ddŵr.

Mwy o ïon LithiwmDeunyddiau BatrirhagTOB Ynni Newydd