ली टिंगटिंग, झांग यांग, चेन जियाहांग, मिन युलिन, वांग जिउलिन। लिथियम सल्फर बैटरी के S@pPAN कैथोड के लिए लचीला बाइंडर। अकार्बनिक सामग्री जर्नल, 2022, 37(2): 182-188 डीओआई:10.15541/जिम20210303
अमूर्त
ली-एस बैटरी के कैथोड सामग्री के रूप में सल्फ्यूराइज्ड पाइरोलाइज्ड पॉली (एक्रिलोनिट्राइल) (एस@पीपीएएन) मिश्रित पॉलीसल्फाइड के विघटन के बिना एक ठोस-ठोस रूपांतरण प्रतिक्रिया तंत्र का एहसास करता है। हालाँकि, इसकी सतह और इंटरफ़ेस विशेषताएँ इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती हैं, और इलेक्ट्रोकेमिकल साइक्लिंग के दौरान स्पष्ट मात्रा में परिवर्तन भी होते हैं। इस अध्ययन में, S@pPAN कैथोड के लिए एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (SWCNT) और सोडियम कार्बोक्सिमिथाइल सेलूलोज़ (CMC) का उपयोग S@pPAN कैथोड के लिए बाइंडर के रूप में किया गया था ताकि S@pPAN की सतह को विनियमित किया जा सके और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान मात्रा में परिवर्तन को कम किया जा सके। 2C के वर्तमान घनत्व पर, 140 चक्रों के बाद बैटरियों की क्षमता प्रतिधारण दर 84.7 प्रतिशत थी, और 1147 mAh∙g-1 की उच्च विशिष्ट क्षमता अभी भी 7C के उच्च वर्तमान घनत्व पर बनाए रखी जा सकती है। एसडब्ल्यूसीएनटी जोड़ने के बाद कंपोजिट बाइंडर की फिल्म के लिए अंतिम तन्यता ताकत 41 गुना बढ़ जाती है, और कंपोजिट बाइंडर ऑपरेशन के दौरान अधिक स्थिर इलेक्ट्रोड इंटरफेस की गारंटी देता है, जिससे सेम्बल्ड लिथियम-सल्फर बैटरियों की चक्र स्थिरता में प्रभावी ढंग से सुधार होता है।
कीवर्ड:लिथियम-सल्फर बैटरी, S@pPAN कैथोड, सोडियम कार्बोक्सिमिथाइल सेलुलोज; बाइंडर, स्थिर इंटरफ़ेस
पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों में सरल तैयारी प्रक्रिया और सुविधाजनक उपयोग के फायदे हैं, लेकिन कम ऊर्जा घनत्व (आम तौर पर 250 Wh∙kg-1 से कम) और उच्च लागत की समस्याएं अभी भी प्रमुख हैं। लिथियम-सल्फर बैटरियों में उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट ऊर्जा घनत्व (2600 Wh∙kg-1) होता है, और इन्हें महान विकास क्षमता वाली द्वितीयक रिचार्जेबल बैटरियों की अगली पीढ़ी माना जाता है। इसके अलावा, मौलिक सल्फर में प्रचुर भंडार, कम लागत और 1672 एमएएच·जी-1 की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता के फायदे हैं। हालाँकि, पारंपरिक मौलिक सल्फर पॉजिटिव इलेक्ट्रोड में चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान बड़ी मात्रा में परिवर्तन (लगभग 80 प्रतिशत) और इलेक्ट्रोड पाउडरिंग होगा, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी जीवन छोटा हो जाएगा। और यह घुलनशील पॉलीसल्फाइड उत्पन्न करेगा, जिसके परिणामस्वरूप शटल प्रभाव होगा, जो अंततः सक्रिय सामग्रियों के कम उपयोग और बैटरी की खराब चक्र स्थिरता जैसी समस्याओं की एक श्रृंखला को जन्म देगा। बैटरी के प्रदर्शन पर शटल प्रभाव के प्रभाव को कम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लिथियम-सल्फर बैटरी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए कई सल्फर-आधारित मिश्रित कैथोड सामग्री विकसित की है। जैसे कार्बन-सल्फर मिश्रित सामग्री, प्रवाहकीय पॉलिमर और धातु ऑक्साइड और सल्फर द्वारा निर्मित मिश्रित सामग्री। एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एसडब्ल्यूसीएनटी) कम घनत्व, हल्के वजन और अच्छी विद्युत चालकता के फायदे के साथ एक सामान्य प्रयोजन योजक हैं। इस अध्ययन में, बाइंडर की कठोरता और अंतिम तन्य शक्ति को बढ़ाने के लिए एसडब्ल्यूसीएनटी जोड़कर सोडियम कार्बोक्सिमिथाइल सेलूलोज़ को संशोधित किया गया था। कैथोड सामग्री के रूप में S@pPAN के साथ लिथियम-सल्फर बैटरी में इस मिश्रित बाइंडर (SCMC के रूप में चिह्नित) का अनुप्रयोग बैटरी की चक्र स्थिरता में काफी सुधार कर सकता है।
प्रयोगात्मक विधि
1.1 सामग्री की तैयारी
1:8 के द्रव्यमान अनुपात के अनुसार एक निश्चित मात्रा में पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (Mw{0}}.5×105, एल्ड्रिच) और मौलिक सल्फर का वजन करें, एक फैलाव के रूप में उचित मात्रा में पूर्ण इथेनॉल जोड़ें, और उन्हें एक सीलबंद एगेट बॉल मिल जार में समान रूप से मिलाएं। 6 घंटे तक बॉल मिलिंग के बाद इसे ब्लास्ट ओवन में 60 डिग्री पर सुखाया गया। सूखने के बाद ब्लॉक मिश्रण को अच्छी तरह पीस लें. फिर एक निश्चित मात्रा में मिश्रित पाउडर को तौला गया और एक क्वार्ट्ज नाव में रखा गया, और तापमान को नाइट्रोजन सुरक्षात्मक वातावरण के तहत एक ट्यूब भट्टी में 300 डिग्री तक बढ़ाया गया, और 41 प्रतिशत के सल्फर द्रव्यमान अंश के साथ एक S@pPAN काला पाउडर प्राप्त करने के लिए 6.5 घंटे तक रखा गया। एक नमूना बोतल में 20 मिलीग्राम एसडब्ल्यूसीएनटी का वजन करें, और फिर 0.5 मिलीग्राम·एमएल-1 सोडियम डोडेसिलबेनजेनसल्फोनेट (एसडीबीएस) मिलाएं। 10 घंटे तक अल्ट्रासोनिक उपचार के बाद, सीएमसी (मेगावाट =7×105, एल्ड्रिच) को एसडब्ल्यूसीएनटी सस्पेंशन में जोड़ा गया (सीएमसी और एसडब्ल्यूसीएनटी का द्रव्यमान अनुपात 2:1 था) और एससीएमसी प्राप्त करने के लिए 2 घंटे तक हिलाया गया, और इसकी ठोस सामग्री का द्रव्यमान अंश 1 प्रतिशत है। इसके अलावा, नियंत्रण प्रयोग में उपयोग किया गया सीएमसी बिल्कुल वैसा ही है जैसा कि अन्य उपचार के बिना उपरोक्त एससीएमसी संश्लेषण में उपयोग किया गया सीएमसी है। सीएमसी को विआयनीकृत पानी में घोलें, सीएमसी का द्रव्यमान अंश 1 प्रतिशत है, और नमूने को सीएमसीपी के रूप में लेबल किया गया है।
1.2 इलेक्ट्रोड तैयारी और बैटरी असेंबली
S@pPAN, सुपर पी और बॉन्डिंग स्लरी (एससीएमसी या सीएमसीपी) को 8:1:1 के द्रव्यमान अनुपात के अनुसार तौला गया। इसे 2 घंटे के लिए बॉल मिलिंग के लिए पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन टैंक में रखें, और बंधे हुए घोल के द्रव्यमान की गणना ठोस चरण घटक के द्रव्यमान के अनुसार की जाती है। घोल को फिल्म एप्लिकेटर के साथ कार्बन-लेपित एल्यूमीनियम पन्नी पर लेपित किया गया था, और कमरे के तापमान पर सूखने के बाद, इसे माइक्रोटोम के साथ ϕ12 मिमी डिस्क में काट दिया गया था, और 6 घंटे के लिए 7 0 डिग्री पर ब्लास्ट ओवन में सुखाया गया था। पूर्व-सुखाने के बाद, पोल के टुकड़े की मोटाई कम करने और पोल के टुकड़े के संघनन घनत्व को बढ़ाने के लिए पोल के टुकड़े को 12 एमपीए के दबाव में टैबलेट प्रेस के साथ संसाधित किया गया, और फिर 6 घंटे के लिए 70 डिग्री पर वैक्यूम में सुखाना जारी रखा। वैक्यूम ओवन का तापमान कमरे के तापमान तक गिरने के बाद, पोल के टुकड़े को वजन के लिए तुरंत दस्ताने बॉक्स में स्थानांतरित किया गया और एक तरफ रख दिया गया। इस अध्ययन में कैथोड के प्रति इकाई क्षेत्र में सक्रिय सामग्री लोडिंग लगभग 0.6 mg∙cm-2 है। SCMC और CMCP पर आधारित इलेक्ट्रोड को क्रमशः S@pPAN/SCMC और S@pPAN/CMC के रूप में दर्शाया जाता है।
1.3 इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन परीक्षण
एक 2016- प्रकार की बटन बैटरी को पॉजिटिव इलेक्ट्रोड केस, पॉजिटिव इलेक्ट्रोड शीट, सेपरेटर और लिथियम शीट के क्रम में इकट्ठा किया गया था। इलेक्ट्रोलाइट 1 मोल एल -1 LiPF6 एथिलीन कार्बोनेट (EC)/डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC) (आयतन अनुपात 1: 1) घोल प्लस द्रव्यमान अंश 10 प्रतिशत फ्लोरोएथिलीन कार्बोनेट (10 प्रतिशत FEC) है, डायाफ्राम एक पॉलीइथाइलीन (PE) डायाफ्राम है।
असेंबल की गई बैटरियों पर निरंतर करंट चार्ज और डिस्चार्ज परीक्षण करने के लिए शिनवेई बैटरी परीक्षण प्रणाली का उपयोग करें। इलेक्ट्रोलाइट के साथ विभाजक और इलेक्ट्रोड में पूरी तरह से घुसपैठ करने के लिए बैटरी को साइकिल चलाने से पहले 4 घंटे तक खड़े रहने दिया गया था। चार्ज-डिस्चार्ज कट-ऑफ वोल्टेज 1.0 से 3.0 V तक था, और साइकिल चलाने के दौरान 25 डिग्री का निरंतर तापमान बनाए रखा गया था। दीर्घकालिक चक्र परीक्षण 2C वर्तमान घनत्व पर किया गया था, और बैटरी के दर प्रदर्शन का परीक्षण 0.5C, 1C, 3C, 5C और 7C वर्तमान घनत्व पर किया गया था। चक्रीय वोल्टामेट्री (सीवी) को सीएचआई 760ई इलेक्ट्रोकेमिकल वर्कस्टेशन पर 1 एमवी एस -1 की स्कैन दर के साथ किया गया था। विशिष्ट क्षमता की गणना सक्रिय घटक सल्फर के आधार पर की जाती है।
1.4 भौतिक गुण लक्षण वर्णन
बैटरी साइक्लिंग के बाद लिथियम शीट के सतह तत्वों का विश्लेषण करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) का उपयोग किया गया था, और नमूना तैयार करना एक दस्ताने बॉक्स में पूरा किया गया था। S@pPAN सामग्री के XRD स्पेक्ट्रम का परीक्षण एक्स-रे डिफ्रेक्टोमीटर (XRD) द्वारा किया गया था।
चिपकने वाले पदार्थ के तनाव-तनाव वक्र का परीक्षण एक गतिशील थर्मोमैकेनिकल विश्लेषक (डीएमए Q850) के साथ किया गया था। नमूना तैयार करने की प्रक्रिया इस प्रकार है: सीएमसीपी और एससीएमसी को एक सपाट और साफ पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन प्लेट की सतह पर गिराएं, इसे एक फिल्म बनाने के लिए 8 घंटे के लिए 55 डिग्री पर ब्लास्ट ओवन में रखें, और परीक्षण के लिए इसे क्रमशः सीएमसी फिल्म और एससीएमसी झिल्ली के रूप में चिह्नित स्ट्रिप्स में काट लें।
सतह पर अवशिष्ट इलेक्ट्रोलाइट को हटाने के लिए चक्रित इलेक्ट्रोड को एक दस्ताने बॉक्स में उचित मात्रा में डीएमसी विलायक के साथ तीन बार धोया गया और प्राकृतिक रूप से सुखाया गया। नमूनों की आकृति विज्ञान इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) द्वारा देखा गया था।
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