提升充電機(jī)充電鋰硫蓄電池循環(huán)壽命的酸化碳納米管紙誘導(dǎo)陽離子原位聚合是如何生成的？
2017-10-12 9:41:03??????點(diǎn)擊：
【導(dǎo)言】
充電機(jī)充電鋰硫蓄電池因為具有高的理論能量密度而受到研究人員的廣泛關(guān)注。向充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)中引進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)，不只能按捺多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)及其導(dǎo)致的庫侖功率下降及容量衰減等問題，還能處理循環(huán)充電機(jī)充放電進(jìn)程中構(gòu)成的鋰枝晶導(dǎo)致的安全隱患。要進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的循環(huán)穩(wěn)定性，就需要在深化理解固態(tài)電解質(zhì)的構(gòu)成機(jī)理及導(dǎo)電機(jī)制的基礎(chǔ)上，研制一起具有高的離子選擇性及高的鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)資料。
【效果簡介】
近來，美國麻省理工學(xué)院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大學(xué)的張校剛教授（共同通訊作者）及徐桂銀博士（榜首作者）等選用充電機(jī)充電鋰硫蓄電池常用的醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳納米管紙（以下分別用CNTP和ACNTP表明酸化處理前、后的碳納米管紙）誘導(dǎo)1,3-二氧戊環(huán)（DOL）進(jìn)行陽離子原位聚合，在ACNTP外表原位生成了柔性、可自愈的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。這種固態(tài)電解質(zhì)薄膜具有高度的離子選擇性，能將可溶性多硫化物密封在正極室，但答應(yīng)鋰離子的雙向通過，然后有用按捺了絡(luò)繹效應(yīng)，并進(jìn)步了充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的循環(huán)壽數(shù)。以金屬鋰作為負(fù)極，以負(fù)載硫的活性炭（AC/S）作為正極，選用常用的醚基電解質(zhì)溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP為聚丙烯）三明治結(jié)構(gòu)作為隔膜構(gòu)成的扣式充電機(jī)充電蓄電池，在電化學(xué)測驗中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性：當(dāng)充電機(jī)充放電倍率為1C（1675 mA/g）時，其初始比容量為683 mAh/g，在循環(huán)充電機(jī)充放電400圈后仍保持有454 mAh/g的放電比容量。該充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的庫侖功率高達(dá)99%，均勻每圈循環(huán)隨同的容量衰減僅為0.1%。該研究效果以“Ad hoc solid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”為題，發(fā)表在Energ. Environ. Sci.上。
【圖文導(dǎo)讀】
ACNTP誘導(dǎo)DOL的陽離子原位聚合
(a) 犬牙交錯的鋼筋網(wǎng)。向鋼筋網(wǎng)上傾倒液態(tài)混凝土并使之固化，即可得到鞏固的鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)。
(b) ACNTP在醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液中誘導(dǎo)DOL發(fā)作陽離子原位聚合的進(jìn)程示意圖。
(c) 未觸摸電解質(zhì)溶液的ACNTP；(d) 與電解質(zhì)溶液觸摸后構(gòu)成的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)；(e) 通過循環(huán)充電機(jī)充放電后的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)的SEM圖畫。
固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械功能測驗
用SEM中的納米操作探針對ACNTP上原位生成的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行(a) 劃痕試驗；(b) 拉伸試驗。
電化學(xué)功能表征
(a) 充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)中含有ACNTP時AC/S正極的循環(huán)伏安曲線，掃描速度為0.2 mV/s。
(b, c) 充電機(jī)充放電倍率為0.5C時，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充電機(jī)充放電曲線；(c) 長循環(huán)穩(wěn)定功能。
(d) 充電機(jī)充放電倍率為1C時，含有ACNTP時AC/S正極的長循環(huán)穩(wěn)定功能及庫侖功率。
ACNTP的描摹、結(jié)構(gòu)表征及其外表吸附Li2Sn (n=1,2,4)的結(jié)構(gòu)示意圖
(a) ACNTP的SEM截面圖。
(b) 充電機(jī)充放電循環(huán)50圈后ACNTP的SEM圖畫，充電機(jī)充放電倍率為0.5C。
(c-f) 圖b對應(yīng)的EDS元素分布圖。
(g) ACNTP外表嫁接-COOH結(jié)構(gòu)示意圖。
(h-j) ACNTP外表的-COOH與 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。
(k) ACNTP外表嫁接-OH結(jié)構(gòu)示意圖。
(l-n) ACNTP外表的-OH與 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。
充電機(jī)充放電前后的ACNTP描摹表征及分子動力學(xué)模仿成果
(a) ACNTP；(b, c) 經(jīng)循環(huán)充電機(jī)充放電后ACNTP的TEM圖畫。
(d) 用分子動力學(xué)模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）隨時刻的變化圖。
(f) Li+在TFSI-之間以跳動的方式進(jìn)行分散。
【小結(jié)】
這項作業(yè)通過簡略的酸處理在碳納米管紙外表引進(jìn)了-COOH和-OH基團(tuán)，并在酸性基團(tuán)的誘導(dǎo)下使電解質(zhì)溶液中的DOL發(fā)作陽離子聚合反應(yīng)，原位生成了柔性、可自愈的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。這種固態(tài)電解質(zhì)薄膜能將可溶性多硫化物約束在正極室內(nèi)，有用按捺了絡(luò)繹效應(yīng)，然后進(jìn)步了充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖功率。該固態(tài)電解質(zhì)不只能夠用于阻隔充電機(jī)充電鋰硫蓄電池中的多硫離子于正極區(qū)，還能對負(fù)極的金屬鋰起到維護(hù)效果，然后進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池的安全性。
充電機(jī)充電鋰硫蓄電池因為具有高的理論能量密度而受到研究人員的廣泛關(guān)注。向充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)中引進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)，不只能按捺多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)及其導(dǎo)致的庫侖功率下降及容量衰減等問題，還能處理循環(huán)充電機(jī)充放電進(jìn)程中構(gòu)成的鋰枝晶導(dǎo)致的安全隱患。要進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的循環(huán)穩(wěn)定性，就需要在深化理解固態(tài)電解質(zhì)的構(gòu)成機(jī)理及導(dǎo)電機(jī)制的基礎(chǔ)上，研制一起具有高的離子選擇性及高的鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)資料。
【效果簡介】
近來，美國麻省理工學(xué)院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大學(xué)的張校剛教授（共同通訊作者）及徐桂銀博士（榜首作者）等選用充電機(jī)充電鋰硫蓄電池常用的醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳納米管紙（以下分別用CNTP和ACNTP表明酸化處理前、后的碳納米管紙）誘導(dǎo)1,3-二氧戊環(huán)（DOL）進(jìn)行陽離子原位聚合，在ACNTP外表原位生成了柔性、可自愈的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。這種固態(tài)電解質(zhì)薄膜具有高度的離子選擇性，能將可溶性多硫化物密封在正極室，但答應(yīng)鋰離子的雙向通過，然后有用按捺了絡(luò)繹效應(yīng)，并進(jìn)步了充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的循環(huán)壽數(shù)。以金屬鋰作為負(fù)極，以負(fù)載硫的活性炭（AC/S）作為正極，選用常用的醚基電解質(zhì)溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP為聚丙烯）三明治結(jié)構(gòu)作為隔膜構(gòu)成的扣式充電機(jī)充電蓄電池，在電化學(xué)測驗中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性：當(dāng)充電機(jī)充放電倍率為1C（1675 mA/g）時，其初始比容量為683 mAh/g，在循環(huán)充電機(jī)充放電400圈后仍保持有454 mAh/g的放電比容量。該充電機(jī)充電鋰硫蓄電池的庫侖功率高達(dá)99%，均勻每圈循環(huán)隨同的容量衰減僅為0.1%。該研究效果以“Ad hoc solid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”為題，發(fā)表在Energ. Environ. Sci.上。
【圖文導(dǎo)讀】
ACNTP誘導(dǎo)DOL的陽離子原位聚合
(a) 犬牙交錯的鋼筋網(wǎng)。向鋼筋網(wǎng)上傾倒液態(tài)混凝土并使之固化，即可得到鞏固的鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)。
(b) ACNTP在醚基電解質(zhì)（DOL/DME）溶液中誘導(dǎo)DOL發(fā)作陽離子原位聚合的進(jìn)程示意圖。
(c) 未觸摸電解質(zhì)溶液的ACNTP；(d) 與電解質(zhì)溶液觸摸后構(gòu)成的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)；(e) 通過循環(huán)充電機(jī)充放電后的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)的SEM圖畫。
固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械功能測驗
用SEM中的納米操作探針對ACNTP上原位生成的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行(a) 劃痕試驗；(b) 拉伸試驗。
電化學(xué)功能表征
(a) 充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)中含有ACNTP時AC/S正極的循環(huán)伏安曲線，掃描速度為0.2 mV/s。
(b, c) 充電機(jī)充放電倍率為0.5C時，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充電機(jī)充放電曲線；(c) 長循環(huán)穩(wěn)定功能。
(d) 充電機(jī)充放電倍率為1C時，含有ACNTP時AC/S正極的長循環(huán)穩(wěn)定功能及庫侖功率。
ACNTP的描摹、結(jié)構(gòu)表征及其外表吸附Li2Sn (n=1,2,4)的結(jié)構(gòu)示意圖
(a) ACNTP的SEM截面圖。
(b) 充電機(jī)充放電循環(huán)50圈后ACNTP的SEM圖畫，充電機(jī)充放電倍率為0.5C。
(c-f) 圖b對應(yīng)的EDS元素分布圖。
(g) ACNTP外表嫁接-COOH結(jié)構(gòu)示意圖。
(h-j) ACNTP外表的-COOH與 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。
(k) ACNTP外表嫁接-OH結(jié)構(gòu)示意圖。
(l-n) ACNTP外表的-OH與 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。
充電機(jī)充放電前后的ACNTP描摹表征及分子動力學(xué)模仿成果
(a) ACNTP；(b, c) 經(jīng)循環(huán)充電機(jī)充放電后ACNTP的TEM圖畫。
(d) 用分子動力學(xué)模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）隨時刻的變化圖。
(f) Li+在TFSI-之間以跳動的方式進(jìn)行分散。
【小結(jié)】
這項作業(yè)通過簡略的酸處理在碳納米管紙外表引進(jìn)了-COOH和-OH基團(tuán)，并在酸性基團(tuán)的誘導(dǎo)下使電解質(zhì)溶液中的DOL發(fā)作陽離子聚合反應(yīng)，原位生成了柔性、可自愈的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。這種固態(tài)電解質(zhì)薄膜能將可溶性多硫化物約束在正極室內(nèi)，有用按捺了絡(luò)繹效應(yīng)，然后進(jìn)步了充電機(jī)充電鋰硫蓄電池系統(tǒng)的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖功率。該固態(tài)電解質(zhì)不只能夠用于阻隔充電機(jī)充電鋰硫蓄電池中的多硫離子于正極區(qū)，還能對負(fù)極的金屬鋰起到維護(hù)效果，然后進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池的安全性。
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