自修复聚乙烯亚胺作为锂硫电池粘结剂的研究

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锂硫电池具有理论能量密度高和成本低廉等优点,是目前具有很好发展前景的储能电源。但是,硫正极的体积变化大和多硫化物的穿梭效应等问题,阻碍了锂硫电池的实际应用。硫正极的体积膨胀和收缩会导致电极结构的损坏,引起活性物质损失,而且活性物质、导电碳与集流体的接触也会变差。穿梭效应使得溶解的多硫化锂难以参与正极的反应,并且多硫化锂会穿梭至负极,在锂金属表面发生沉积,导致电极容量的损失。为了解决这两个问题,本论文制备一种自修复聚乙烯亚胺(SHPEI)粘结剂,并通过接枝羧基对自修复聚乙烯亚胺粘结剂进一步改性。本文首先利用对苯二甲醛交联聚乙烯亚胺,制备具有网络结构的自修复聚乙烯亚胺粘结剂。利用动态亚胺键的交联网络可以缓冲硫正极的体积变化,粘接活性物质和导电碳,改善电极材料和集流体的接触,并且可以修复因体积变化而损坏的粘结网络,维持电极微观结构的稳定,使得硫正极在循环过程中保持良好的性能。当对苯二甲醛用量为1.96 mass%时,以SHPEI为粘结剂的硫正极具有较好的储能特性。硫正极在0.2 C电流密度下循环120次后的放电比容量和容量保持率分别为587.9 m Ah g-1和80.5%。当正极硫载量为9.2 mg cm-2时,以SHPEI为粘结剂的硫正极在0.2 C电流密度下循环70次仍具有较好的比容量。在此基础上,本文利用对羧基苯甲醛改性SHPEI,制备了羧基化自修复聚乙烯亚胺粘结剂(SHPEI-COOH)粘结剂。将羧基接枝在聚合物链段上,增强了粘结剂黏附性能和对多硫化锂的锚定作用,有利于锂离子的迁移。当对羧基苯甲醛用量为2.49 mass%时,以SHPEI为粘结剂的硫正极具有较好的循环性能。硫正极在1 C电流密度下循环130次后的放电比容量为291.6 m Ah g-1;与活化后的初始比容量相比,容量保持率为83.7%。当正极硫载量为9.1 mg cm-2时,以SHPEI-COOH为粘结剂的硫正极在0.2 C电流密度下循环95次仍具有较好的比容量。因此,本研究制备了一种自修复粘结剂,以解决硫正极面临的问题,并且为改善高硫载量锂硫电池的储能特性提供一种可行的方案。
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