第一作者: Gao Qiaomeng, Shen Zhengyuan
通讯作者: 赵勇/赫金玲
通讯单位: 河南大学
摘 要
高硫(S)负载阴极的构建是获得高能量密度锂硫(Li–S)电池的关键参数之一,但高硫负载阴极的缓慢氧化还原反应速率限制了开发过程。本文提出了一种基于金属配位聚合物的三维网络粘合剂,它可以提高S电极的反应速率和稳定性。与传统的线性聚合物粘合剂相比,金属配位聚合物粘合剂不仅可以通过三维交联增加S的负载量,还可以促进S与硫化锂(Li2S)之间的相互转化反应,避免电极钝化,提高正极的稳定性。在4–5 mg cm−2的S负载和5.5µL mg−1的E/S比下,第二个平台中的放电电压为2.04 V,使用金属配位聚合物粘合剂的初始容量为938 mA h g−1。此外,在100次循环之后,容量保持率接近87%。相比之下,第二个平台中的放电电压损失,使用PVDF粘合剂的初始容量为347 mA h g−1。它展示了金属配位聚合物粘合剂的先进性质,用于改善锂硫电池的性能。
研究要点
报道了一种具有3D网络结构的新型金属配位聚合物粘合剂,它可以增加S的负载量并加速硫的阴极反应。
与传统的聚偏氟乙烯(PVDF)粘合剂相比,Al3+配位的PEI(PEI-Al)网络粘合剂显著加速了多硫化物的转化,并促进了Li2S的3D沉积(图1)。此外,PEI-Al聚合物具有稳定的3D交联结构,可以有效缓解阴极反应过程中的体积膨胀。
在4.77 mg cm−2的S负载和7.42µL mg−1的电解质/硫(E/S)比下,PEI-Al粘合剂电池比聚乙烯亚胺(PEI)和PVDF粘合剂电池具有更小的极化。当E/S比进一步降低到5.52µL mg−1时,它在第二个平台上仍然显示出稳定的放电曲线,而基于PVDF和PEI粘合剂的电池由于反应动力学有限而没有显示出这一曲线。
图1. 具有三维金属配位聚合物(PEI-Al)粘合剂的Li–S电池示意图,用于增加S负载量并促进S↔ Li2S的转化。
图2. (a) Al2(SO4)3、PEI和PEI-Al溶液的光学照片。(b) Al2(SO4)3、PEI和PEI-Al溶液的紫外-可见光、(c-e)FTIR和(f,g)拉曼光谱((d)和(e)是(c)的放大图像;(g)是(f)的放大图像)。(h) Al2(SO4)3和PEI-Al的XPS Al 2p光谱。
图3. (a)使用不同粘合剂的硫磺阴极的CV曲线。(b)不同粘结剂的阴极上Li2Sn到Li2S的还原过程和(c)Li2S到Li2Sn的氧化过程的Tafel图。(d) 使用PVDF、PEI和PEI-Al粘合剂的硫磺阴极的反应活化能的比较柱状图。(e) 在1V s-1的扫描速率下,使用不同粘合剂的对称电池的CV曲线。(f) PVDF、PEI和PEI-Al粘合剂的硫磺阴极的CV峰值电流与扫描速率的平方根的关系。
图4. (a)不同粘结剂/CB复合材料吸附的多硫化物溶液的光学照片。(b) 不同粘合剂/CB复合材料所吸附的聚硫溶液的紫外-可见光谱。(c) 不同粘结剂的聚硫溶液的光学照片。1小时、2小时、3小时、4小时和12小时后,(d)PVDF和(e)PEI-Al粘合剂的聚硫溶液的紫外-可见光谱。
图5. 原位拉曼测试,评估多硫化物反应的动力学。
图6. 在2.08V的电压下,碳纸表面(a)PVDF、(b)PEI和(c)PEI-Al表面)的恒电位放电曲线和嵌入的SEM图像。在2.35V的电压下,碳纸表面的恒电位电荷曲线和嵌入的SEM图像,d)PVDF,e)PEI,和f)PEI-Al表面。
图7. 不同粘合剂阴极的Li-S电池的电化学性能。
原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202301344