南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能

【研究背景】

    硫具有廉价易得、绿色无毒,高比容量等优点,它被认为是一种非常有潜力的正极材料,并且吸引了众多科研工作者的关注。但是锂硫电池也面临诸多困难。如硫的电子电导率低、反应过程中的穿梭效应引起容量损失和差的耐高温特性导致容量衰减等。为了克服这些困难,南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授课题组提出利用硫化聚丙烯腈复合材料(SPAN)作为工作电极,结合实验室长期研制的凝胶聚合物电解质,协同提升锂硫电池的电化学性能,尤其是高温下的电化学性能,并对其循环过程中的反应机理进行了探讨。

【工作介绍】

    近日,南京工业大学能源科学与工程学院付丽君教授和吴宇平教授等人制备了一种易于规模化合成的硫化聚丙烯腈电极材料和凝胶聚合物电解质。借助电化学测试和物理表征等手段,介绍了SPAN电化学反应机理,和凝胶电解质提升性能的原理。研究发现,该电极和商业化的PP膜Celgard 2400(CLE)在常温条件下具有优秀的电化学性能,然而随着温度的升高,电极稳定性明显降低。当他们将Celgard 2400替换成凝胶电解质(CGPE),发现电极的电化学性能在常温、50℃和60℃条件下均具有优于商业化PP膜。结合非原位拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和能量色散谱(EDS)发现,SPAN在第一次放电过程中C-S键发生断裂,充电过程中重新形成。然而循环10圈之后C-S键不能重新形成,表明C-S裂解和重组不是完全可逆的。观察循环之后的锂金属表面,发现凝胶聚合物电解质不仅能抑制多硫化锂的穿梭,还能保护锂金属负极(尤其在高温下)。该论文以“Synergy of Sulfur/ polyacrylonitrile Composite and Gel Polymer Electrolyte Promises Heat-Resistant Lithium-Sulfur Batteries”为题,发表在Cell期刊旗下的iscience上。南京工业大学先进材料研究院硕士研究生刘宇和杨德志为本文共同第一作者。(DOI:10.1016/j.isci.2019.07.027

南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能 图1. Celgard2400和聚合物隔膜的形貌。Celgard 2400的A) 光学图片;B) 正面图片;C) 截面图片。聚合物隔膜的D) 光学图片;E) 正面图片;F) 截面图片。

南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能图2. CLE和CGPE在50℃条件下的电化学性能。A) 循环性能;B) CGPE的充放电曲线;C) CLE和CGPE的倍率性能。

南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能图3. CLE和CGPE在60℃条件下的电化学性能。A) CLE和CGPE的第一二圈充放电曲线;B) CLE和CGPE的循环性能;C) CLE和CGPE的阻抗谱;D) CGPE的倍率性能;E) CGPE的循环性能

南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能图4. SPAN电极在不同充放电过程中的拉曼光谱。

南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授iscience:准固态电解质提升锂硫电池的高温性能图5. SPAN电极材料和凝胶聚合物电解质协同作用的图解。A-B) CLE的工作原理示意图;C-F) CLE和CGPE中锂金属的光学照片;G-H) CLE中锂金属的SEM图;I-J) CGPE中锂金属的SEM图;K-L) CGPE的工作原理示意图。

【总结】

    研究表明,SPAN电极材料可以与碳酸酯类电极液兼容,并且在凝胶电解质的协同作用下能够展现出卓越的高温性能。当温度为60℃时,SPAN在250mA/g和2500mA/g的电流密度下分别提供了547.8mAh/g和415mAh/g的高可逆容量。此外,在循环过程中聚合物电解质起到增强电荷转移、保护锂金属负极和抑制多硫化锂转移的作用。这拓宽了锂硫电池的适用温度范围,同时为其发展带来了新的机遇。

Yu Liu, Dezhi Yang, Wenqi Yan, Qinghong Huang, Yusong Zhu, Lijun Fu, Yuping Wu, Synergy of Sulfur/ polyacrylonitrile Composite and Gel Polymer Electrolyte Promises Heat-Resistant Lithium-Sulfur Batteries, iScience, 2019, DOI:10.1016/j.isci.2019.07.027

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参考文献:iScience