二维纳米粘土改性PP隔膜的制备及其在锂硫电池中的应用研究

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锂硫电池具有成本低、环境友好,以及较高的理论比容量(1675 m Ah/g)和能量密度(2600Wh/kg)等优势,被认为是下一代高能量密度电池体系的理想选择之一。然而,“穿梭效应”是导致锂硫电池容量快速衰减的主要原因之一,因此,有效的抑制多硫化物穿梭是减小容量衰减,构建高性能锂硫电池的关键。为了有效的抑制多硫穿梭,本文主要通过隔膜修饰改善电解液对隔膜的浸润性、增大锂离子迁移率。又由于蒙脱土(MMT)为金属氧化物所组成的具有一定负电荷的纳米片,利用其静电排斥与催化特性,将其与具有高导电子能力的碳纳米管(CNT)和石墨烯(GN)进行复合,从而有效的抑制多硫的穿梭。进一步优化隔膜修饰层的组成、结构,从而构建高性能锂硫电池。具体工作如下:1)由离子交换法制备二维MMT纳米片层,通过XRD、TEM、XPS等测试手段对剥离的MMT纳米片层进行物理和化学表征。然后将剥离的二维MMT纳米片与碳纳米管直接复合,通过简单的真空抽滤的方式在PP隔膜上构筑碳纳米管-蒙脱土(CNT-MMT)修饰层,其修饰层的厚度约为15μm,载量为0.15 mg/cm2。进一步采用静态吸附实验、Li2S沉积实验、XPS、CV等测试手段对MMT的吸附和催化特征进行表征和分析,结果表明MMT具有优异的吸附和催化性能。因此,以CNT-MMT作为中间阻挡层有效的抑制了多硫的穿梭效,提升硫的利用率。进一步优化修饰层CNT与MMT的比例(比值为5时),CNT-MMT复合材料修饰的隔膜应用于锂硫电池,其电化学性能有显著的提升。在0.1 C的电流密度下首次放电容量为1373 m Ah/g,在1C电流密度下循环500次,每圈容量衰减率为0.119%。2)通过将Hummer法制备的氧化石墨烯(GO)分散液与用离子交换剥离的MMT上清液混合,经冻干、热处理的方式得到石墨烯和石墨烯-蒙脱土(GN-MMT)复合材料,以真空抽滤的方式在PP隔膜上构筑GN-MMT修饰层。通过静态吸附和Li2S沉积实验、CV、EIS等测试手段对GN和GN-MMT复合材料的吸附和催化特征进行表征和分析。研究结果表明GN-MMT复合材料能有效的吸附和催化多硫的转化,且当用二维的石墨烯导电材料替换一维的碳纳米管,可构筑更有效抑制多硫穿梭的隔膜修饰层,提升其电化学性能。在0.1 C的电流密度下首次放电容量为1026 m Ah/g,在1 C电流密度下循环600次,每圈容量衰减率为0.0864%。
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