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(yáng)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?yàn)榫哂懈叩睦碚撃芰棵芏榷艿窖芯咳藛T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(kù)侖功率下降及容量衰減等問(wèn)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(jiǎn)介】
近來(lái)，美國(guó)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(yáng)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(guò)，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(cè)驗(yàn)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(shí)，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(kù)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(yáng)離子原位聚合
(a) 犬牙交錯(cuò)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(yáng)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(guò)循環(huán)充電機(jī)充放電后的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)的SEM圖畫(huà)。
固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械功能測(cè)驗(yàn)
用SEM中的納米操作探針對(duì)ACNTP上原位生成的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行(a) 劃痕試驗(yàn)；(b) 拉伸試驗(yàn)。
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(shí)AC/S正極的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，掃描速度為0.2 mV/s。
(b, c) 充電機(jī)充放電倍率為0.5C時(shí)，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時(shí)的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充電機(jī)充放電曲線(xiàn)；(c) 長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定功能。
(d) 充電機(jī)充放電倍率為1C時(shí)，含有ACNTP時(shí)AC/S正極的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定功能及庫(kù)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(huà)，充電機(jī)充放電倍率為0.5C。
(c-f) 圖b對(duì)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(dòng)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(huà)。
(d) 用分子動(dòng)力學(xué)模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）隨時(shí)刻的變化圖。
(f) Li+在TFSI-之間以跳動(dòng)的方式進(jìn)行分散。
【小結(jié)】
這項(xiàng)作業(yè)通過(guò)簡(jiǎn)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(yáng)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(kù)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(duì)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?yàn)榫哂懈叩睦碚撃芰棵芏榷艿窖芯咳藛T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(kù)侖功率下降及容量衰減等問(wèn)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(jiǎn)介】
近來(lái)，美國(guó)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(yáng)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(guò)，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(cè)驗(yàn)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(shí)，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(kù)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(yáng)離子原位聚合
(a) 犬牙交錯(cuò)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(yáng)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(guò)循環(huán)充電機(jī)充放電后的ACNTP/固態(tài)電解質(zhì)的SEM圖畫(huà)。
固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械功能測(cè)驗(yàn)
用SEM中的納米操作探針對(duì)ACNTP上原位生成的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行(a) 劃痕試驗(yàn)；(b) 拉伸試驗(yàn)。
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(shí)AC/S正極的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，掃描速度為0.2 mV/s。
(b, c) 充電機(jī)充放電倍率為0.5C時(shí)，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時(shí)的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充電機(jī)充放電曲線(xiàn)；(c) 長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定功能。
(d) 充電機(jī)充放電倍率為1C時(shí)，含有ACNTP時(shí)AC/S正極的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定功能及庫(kù)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(huà)，充電機(jī)充放電倍率為0.5C。
(c-f) 圖b對(duì)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(dòng)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(huà)。
(d) 用分子動(dòng)力學(xué)模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）隨時(shí)刻的變化圖。
(f) Li+在TFSI-之間以跳動(dòng)的方式進(jìn)行分散。
【小結(jié)】
這項(xiàng)作業(yè)通過(guò)簡(jiǎn)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(yáng)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(kù)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(duì)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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