锂硫电池正极用新型粘结剂的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:xiaoliang1978
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锂硫电池(Li-S)具有大的比容量(1675 mAh·g-1)和能量密度(2600 Wh·kg-1),并且硫在自然界中储量丰富且价格低廉,是目前最具应用潜力的电池体系之一。但是单质硫及其放电产物的低电子电导率,中间产物在电解液中的高溶解度以及循环中电极体积的变化都制约了电极电化学性能的发挥。本文以提高锂硫电池比容量和循环寿命为目的,探究了不同粘结剂对硫正极性能的影响,多功能粘结剂通过强化电极导电框架结构和对电极材料的表面修饰作用,改善了电极的电化学性能,为开发适用于锂硫电池正极的粘结剂提供了理论和科学依据。本文首先用水性粘结剂LA132替代传统的聚偏氟乙烯粘结剂(PVDF)。LA132水性粘结剂具有强极性键-CN,粘结性能强于半结晶性聚合物PVDF。使用PVDF制备的电极在多圈循环后表面出现不可逆放电产物的堆积,而LA132电极仍保持循环前疏松多孔的结构。此外,PVDF电极上部分活性物质脱落,露出铝箔,而LA132电极结构完整。电化学测试证明LA132电极具有更好的循环稳定性,并且当粘结剂减少到5 wt%时电极仍具有较好的电化学性能。基于以上实验,选用具有强极性键的聚丙烯酸(PAA)粘结剂与石墨烯高温复合,得到分散性良好的导电粘结剂分散液(G-PAA)。两者间强烈的氢键作用缓解了PAA的分子内作用力并且抑制了石墨烯纳米片的堆垛。电化学表明使用G-PAA的电极的放电比容量相比于PAA电极提高了33%。电极优异的电化学性能与导电粘结剂在电极内构建的特殊三维结构有关,石墨烯均匀穿插在电极中为电子传导提供了基底同时形成的大孔介孔结构有利于锂离子的传输。为进一步提高电极的循环稳定性,将PAA和具有多硫化锂吸附能力的导电聚合物聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)以不同比例混合后用于多孔碳/硫正极。混合粘结剂结合了PAA吸收电解液和导电聚合物PEDOT:PSS固定多硫化锂的优势,当PAA与PEDOT:PSS以2:3质量比例混合使用时,电极在0.5 C电流密度下初始容量达到1121 mAh·g-1,循环80次后仍保持在833 mAh·g-1
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