ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池

研究背景】

    正极硫在电解液中的溶解和穿梭效应是锂硫电池容量衰减的重要原因之一。同时为了保持长循环而添加大量的电解液极大稀释了能量密度。各种对多硫化物有吸附或催化作用的纳米材料被用来和硫复合以提高硫的利用率。然而,有限的吸附和催化位点从根本上很难抑制含多硫化物的电解液从正极渗出,特别是在高硫负载量的情况下。

工作介绍】

    近日,阿卜杜拉国王科技大学Zhiping Lai课题组采用电聚合策略,直接在简单的CNT-S正极上生长一层连续,而具有丰富纳米孔道共轭微孔膜(CMP)涂层。结果表明,不同于以往报道的在单个硫颗粒上的涂覆,该技术实现了在整个硫正极的表面形成一个纳米皮肤层,从而对正极形成一个相对封闭的体系。因此,无论硫的反应无论如何进行,由于这一0.8nm孔道的纳米皮肤的存在,多硫化物只能完全限制在正极内部,而锂离子可以通过。另一方面,尽最大可能减少硫的修饰和正极内部电导率的下降。并且发现,在常规开放多孔硫正极中,电解液的渗出和挥发限制了电解液的有效利用率,而这一微孔膜的存在也提高了电解液的利用率,从而在贫电解液条件下实现较好的循环性能。相关成果以Electropolymerized Conjugated Microporous Nanoskin Regulating Polysulfide and Electrolyte for High-Energy Li–S Batteries为题发表在 ACS Nano 上。【图文导读】ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池1 基于电聚合共轭微孔纳米皮肤的硫正极制备。 (a) 合成结构示意图。(c)电聚合CV曲线。(c) 聚合单体的结构图。(d)电聚合装置示意图。(f) 电聚合共轭纳米皮肤的多孔结构。

ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池2 UCCM隔膜的结构与性质表征。(a) CN-S正极的SEM和EDS图。 (b)电沉积薄膜的显微图。(c)电聚合后的CMP-CNT-S正极。(d-f) 13C NMR, FT-IR, BET曲线和孔径分布图。

ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池3 CMP-CNT-S的抑制多硫化物的机理分析。 (a) 锂硫电池的充放电曲线。(b) CNT-S和CMP-CNT-S电极硫溶解的可视化对比。(c-d) 两种电极的穿梭电流和开路电压稳定性比较。(e) CMP微孔抑制多硫化物离子簇扩散的示意图。(f) 两种电极结构下的电池充放电示意图。

ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池4 电解液和锂离子运输表征。 (a) CNT-S和CMP-CNT-S两种电极的电解液有效利用率的比较。(b) CMP-CNT-S的EIS曲线。(c,d)锂离子通过微孔膜的7Li NMR表征。

ACS Nano: 电聚合微孔膜助力高能量锂硫电池5. 电化学测试结果分析。(a-c) CMP-CNT-S电池的CV曲线,恒电流充放电曲线,和容量循环曲线。(d)锂离子扩散速率分析。(e) 倍率性能。(f) 电池结构示意图。(g) 长时间循环性能。

【结论】

    不同于目前所普遍采用的纳米多孔材料的制备,本文实现的电聚合过程温和,简单,时间短,并且在抑制多硫化物的穿梭方面提供了一个新的方法和思路。同时,这个工作也说明,提高电解液的利用率也是一个提高锂硫电池在贫电解液条件下的性能的有效途径。

Dong Guo, Xiang Li, Wandi Wahyudi, Chunyang Li, Abdul-Hamid Emwas, Mohamed Nejib Hedhili, Yangxing Li*, and Zhiping Lai*, Electropolymerized Conjugated Microporous Nanoskin Regulating Polysulfide and Electrolyte for High-Energy Li–S Batteries, ACS Nano, 2020, DOI:10.1021/acsnano.0c06944

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参考文献:ACS Nano