木质纤维素基凝胶聚合物电解质的制备及其在锂硫电池中的应用

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近年来,锂硫电池由于具有高理论比容量(1675 m Ah/g)、高理论能量密度(2600Wh/kg)而备受关注,并且其活性材料硫廉价易得、无污染。充放电过程中可溶性多硫化物的穿梭效应是限制锂硫电池发展的瓶颈之一。凝胶聚合物电解质(GPE)不仅可以有效抑制穿梭效应,保证离子电导率的同时还可以避免液体电解质泄露的潜在安全问题。本文基于绿色环保理念,以木质纤维素(LC)为基体,通过NaOH/脲水溶液处理或氧化石墨烯(GO)填充等方法制备出LC基GPE,对其进行了系统评价,并用于组装锂硫电池,研究了电池性能。(1)采用NaOH/脲水溶液低温(-12℃)部分溶解方法,制备基于不同溶解时间、去离子水清洗的改性LC基GPE。当溶解时间为20 min时,膜拉伸强度为3.97 MPa;GPE室温下离子电导率为2.42 m S cm-1,锂离子迁移数为0.74,具备1.0-4.9 V的电化学稳定性窗口和良好的电极相容性;组装的锂硫电池在一定程度上抑制了穿梭效应。(2)考察了不同溶液清洗后的LC基GPE的性能。当改用乙醇清洗时,LC膜的吸液率高达205 wt%,离子电导率提升至3.66 m S cm-1,具有最好的电极相容性。此外,其锂硫电池表现出最佳的电池性能,在80 m A/g下循环50次后仍具有487.2 m Ah/g的比容量。(3)采用溶剂蒸发法制备出GO/LC基GPE。结果表明GO含量为0.4 wt%时,膜具备最高的吸液率和离子电导率、良好的热稳定性;组装的电池表现出最佳的倍率性能,循环30圈内明显抑制了穿梭效应。本文LC基GPE的制备方法简单且绿色环保,一定程度上改善了锂硫电池的性能,也可为其他凝胶聚合物的制备与应用提供思路。
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