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    Adv. Energy Mater:抑制多硫化物溶解的阻燃耐熱型鋰硫電池隔膜

     
    發布日期:2018-09-30
     

    隨著電動汽車鋰離子電池(LiBs)需求的快速增長,人們逐漸廣泛關注其高比能量密度、低成本和可充電性能。人們普遍認為LiBs的安全性與高度易燃的隔膜和液體有機電解質密切相關,例如,聚丙烯(PP),碳酸亞乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)。目前,對克服易燃物的問題已有大量的研究進展,雖然可有效降低可燃性,但電池火災風險仍然存在,特別是對于金屬過量的鋰金屬電池。另外,這些電池是主要是傳統的LiBs(LiFePO4,LiCoO2,LiMn2O4等),仍然不能滿足新一代電池的高能量密度的要求。鋰-硫(Li-S)電池比容量高為1675 mA h g-1,有望用于下一代儲能。但是,多硫化鋰(LiPSs)易溶于電解液,穿梭于正負極之間,從而導致硫化物易于沉積在鋰電極上,加快電池的容量衰減和降低電池的庫倫效率,阻礙了商業化Li-S電池的應用。因此,實際應用Li-S電池具有多硫化物(PS)溶解以及易燃硫和聚合物隔膜引起的嚴重安全問題。

    近日,黑龍江大學李強教授和電子科技大學何衛東、熊杰教授團隊在國際著名期刊Advanced Energy Materials上發表了題目為“A Nonflammable and Thermotolerant SeparatorSuppresses Polysulfide Dissolution for Safe and Long-CycleLithium-Sulfur Batteries”的文章。在這項工作中,研究者通過電紡聚丙烯腈(PAN)和多磷酸銨(APP)制備了一種有效抑制PS溶解和耐高溫性能的阻燃多功能鋰離子電池隔膜(PAN@APP),用于穩定安全鋰-硫電池。由于APP中含有豐富的胺基和磷酸根,PAN@APP隔膜與PS有很強的結合作用,其中發揮強烈的電荷排斥力以抑制帶負電的PS離子和自由基傳導。此外,耐火APP在高溫下確保電池的穩定性。使用PAN@APP隔膜,Li-S電池在800次循環中的容量保持率為83%。因此,這種智能聚合物隔在穩定安全電池方面表現出潛在的應用前景。


    方案1.用于Li-S電池的具有熱觸發阻燃性能的多功能電紡隔膜的示意圖。 a)在工作中,PAN@APP作為有效的多硫化物限制劑。 b,c)熱觸發后,APP會熔化并覆蓋電池表面隔絕空氣和熱量。


    圖1. a)PAN(頂部)和APP(底部)的化學結構。 b)APP上Li2Sx的示意圖,以及APP和Li-S復合材料的結合能(Li2S8,Li2S6,Li2S4,Li2S3,Li2S2和Li2S)。 c)PAN@APP選定區域中的C,N和P的元素分布圖。 d,e)PAN@APP膜SEM和橫截面的圖像。 插圖顯示了PAN@APP隔膜的數碼照片。 f-h)PP,PAN和PAN@APP隔膜使用雙L的滲透裝置的滲透實驗。


    圖2. a)PP,PAN和PAN@APP隔膜的阻燃性能。 b)不同隔膜的燃燒時間長度。 c-e)燃燒前后S-PP,S-PAN和S-PAN@APP的寬掃XPS光譜。


    圖3. a)PP,PAN和PAN@APP隔膜的平均熱分析圖。 b)PP,PAN和PAN@APP隔膜在不同的溫度下Li-S電池循環性能。 c)不同電池在120°C下的自放電行為。 d)75°C時不同電池的長循環容量。


    圖4. a)在0.1 mV s-1下PAN@APP隔膜的CV曲線。 b)在0.2-2 C之間用PAN@APP隔膜的電池充電/放電曲線。c)PAN@APP倍率性能。 d)在1C下以PP,PAN和PAN@APP為隔膜的電池的循環性能和庫倫效率。 e)8000次循環的長期循環穩定性。 f)具有的PAN@APP隔膜的充電/放電曲線。 g)高硫負載量(6mgS cm-2)條件下,PAN@APP隔膜在0.51(0.05 C)至2.01 mA cm-2(0.2 C)的電流密度下的循環穩定性。

     
     
     

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