當(dāng)前位置: 電池聯(lián)盟網(wǎng) > 前沿 >

通過(guò)陰極電解質(zhì)協(xié)同作用將鋰硫電池推向?qū)嶋H工作條件

時(shí)間:2022-05-03 13:56來(lái)源:能源學(xué)人 作者:Energist
點(diǎn)擊:

【本文亮點(diǎn)】
 

1. 本文中作者將有序大孔框架中的硒摻雜硫正極與高度氟化醚(HFE)基電解質(zhì)相結(jié)合,同時(shí)解決鋰-硫電池中正極和負(fù)極存在的問(wèn)題。

2. 研究表明,即使在5.8 mg cm-2的高面積Se/S負(fù)載下,電池仍然可以提供> 5.4 mAh cm-2的高面積容量,在基于HFE的電解液中庫(kù)侖效率> 99.2%。此外,在高溫(55 ℃)和低溫(0 ℃)下,厚Se/S正極(> 5.0 mg cm-2)也表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能,驗(yàn)證了未來(lái)在寬工作溫度范圍內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用潛力。

3. 作者還通過(guò)同步加速器X-射線探針和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)詳細(xì)揭示了潛在機(jī)制。

 

【研究背景】
 

由于理論能量密度高(2600 Wh kg-1),鋰-硫電池被廣泛認(rèn)為是下一代高能電池最有希望的候選者之一。但是,在實(shí)際應(yīng)用中硫正極緩慢的電化學(xué)氧化還原動(dòng)力學(xué)和電解質(zhì)的大量使用,進(jìn)一步降低了鋰-硫電池的循環(huán)壽命和實(shí)際能量密度。

 

在本文中,作者報(bào)道了一種協(xié)同策略,通過(guò)將有序Se/S大孔正極和HFE基電解質(zhì)相結(jié)合,同時(shí)解決多硫化物穿梭、正極氧化還原動(dòng)力學(xué)緩慢和鋰-硫電池在實(shí)際工作條件下的鋰剝離/電鍍不良問(wèn)題。

 

【內(nèi)容詳情】
 

1. OMSH-Se/S正極材料的結(jié)構(gòu)和組成分析
 

圖片

圖1. 正極材料的結(jié)構(gòu)和組成分析

 

如圖1a所示,有序大孔硫主體(OMSH)的SEM圖,可以看到OMSH是孔徑為~180 nm的有序大孔結(jié)構(gòu)。然后,作者通過(guò)熔融擴(kuò)散法在155 ℃溫度下將~ 80 wt.% Se摻雜的硫滲透到OMSH的中空室中。得到的正極材料記為OMSH-Se/S。OMSH-Se/S的TEM圖像(圖1b)顯示OMSH的大孔充滿了Se摻雜的硫顆粒。OMSHSe/S的EDS圖像(圖1c)表明S和Se元素均勻分布在正極材料內(nèi)部,證實(shí)了Se/S成功封裝到有序的大孔結(jié)構(gòu)中。同時(shí),Zn和Co元素的均勻分布表明OMSH-Se/S內(nèi)部存在雙端結(jié)合位點(diǎn),可以增強(qiáng)氧化還原的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。OMSH-Se/S的XPS表征(圖1d)揭示了Se鍵的存在,可以識(shí)別到Se 3p1/2 (168.31 eV)和Se 3p3/2 (161.82 eV)鍵。同時(shí),OMSH-Se/S正極材料中的Se-S (56.0 eV & 57.0 eV)和Se-Se (55.49 eV & 56.35 eV)鍵(圖1e)證實(shí)了在之后形成了新相的Se/S化合物。與純S相相比,Se/S相的形成可以提高正極復(fù)合材料的電子導(dǎo)電性和可逆性。OMSH-Se/S中的Se/S含量經(jīng)測(cè)量為79.11 wt. %(圖1f)。

 

2. OMSH-Se/S正極材料的電化學(xué)表征
 

圖片

圖2. OMSH-Se/S正極材料的電化學(xué)表征

 

HFE基電解質(zhì)可以有效抑制多硫化物的溶解,從而抑制穿梭效應(yīng)。同時(shí),即使在高硫含量條件下,硒摻雜和有序的大孔主體結(jié)構(gòu)也可以極大地提高正極復(fù)合材料的導(dǎo)電性和離子傳輸能力。如圖2a所示,OMSH-Se/S正極材料可以在160 mA g-1的電流密度下提供1065.25 mAh g-1的可逆比容量和高庫(kù)侖效率(>99.5 %)。此外,在2 mg cm-2的面密度下,可實(shí)現(xiàn)300次循環(huán)后81.77%的高容量保留率。這進(jìn)一步證實(shí)了OMSH-Se/S正極在HFE基電解質(zhì)中良好的倍率性能。此外,當(dāng)進(jìn)一步將Se/S負(fù)載增加到5.8 mg cm-2時(shí),正極在200 mA g-1下仍可提供5.47 mAh cm-2的比容量(圖2b和2c)。OMSH Se/S在高Se/S負(fù)載下的高活性材料利用率表明,有序大孔主體與Se摻雜相結(jié)合可以有效增強(qiáng)電化學(xué)氧化還原動(dòng)力學(xué)。此外,由于多硫化物在常規(guī)DME基電解質(zhì)中的高溶解度,嚴(yán)重的自放電會(huì)導(dǎo)致鋰金屬負(fù)極的容量急劇衰減和腐蝕。如圖2d所示,在傳統(tǒng)的基于DME的電解液中,靜置1周后電池電壓下降了205 mV。而在HFE基電解質(zhì)的電池中,電池在靜置1周后電壓僅下降了20 mV(圖2e)。基于HFE的電解液中更小的電壓降進(jìn)一步證實(shí)了基于HFE的電解液可以有效地降低多硫化物的自放電率。更重要的是,即使在靜置1周后,當(dāng)恢復(fù)循環(huán)測(cè)試時(shí),電池的容量可以立即恢到5.53 mAh cm-2,并在167.6 mA g-1下循環(huán)50次后保持在5.44 mAh cm-2(圖2f)。

 

3. 循環(huán)電極的相間和形態(tài)表征
 

為了深入了解循環(huán)Se/S正極和鋰金屬負(fù)極在不同電解質(zhì)中的界面和形態(tài)特性作者進(jìn)一步進(jìn)行了ToF-SIMS表征。電池分別在基于HFE和DME的電解質(zhì)中以0.1 C的充電/放電速率進(jìn)行100次循環(huán)后,收集正極和負(fù)極進(jìn)行表征。在基于DME的電解液中,由于形成高度可溶的多硒化鋰(LiPSes),在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中反復(fù)溶解/再沉積過(guò)程會(huì)導(dǎo)致Se從正極內(nèi)部遷移到外表面,從而導(dǎo)致硒在循環(huán)陰極上的分布不均勻(圖3a)。

 

圖片

圖3. 循環(huán)電極的相間和形態(tài)表征

 

在使用基于HFE的電解質(zhì)的情況下(圖3b),在循環(huán)正極的表面上沒有發(fā)現(xiàn)硒團(tuán)聚體。與Se類似,基于DME的電解液中循環(huán)正極的S信號(hào)也表現(xiàn)出比基于HFE的電解液中的循環(huán)正極更不均勻的信號(hào)(圖3a和3b),進(jìn)一步證實(shí)了基于HFE的電解液在防止穿梭方面的有效性。此外,DME基電解質(zhì)中循環(huán)OMSH-Se/S正極的深度剖面(Se-)(圖3c)在最外表面表現(xiàn)出強(qiáng)烈的Se-信號(hào),并且隨著深度的增加而變?nèi),證實(shí)了循環(huán)正極的表面Se遷移層的形成。在HFE基電解質(zhì)的情況下,Se-信號(hào)呈反向趨勢(shì),表明多硫化物/多硫化硒的擴(kuò)散得到有效緩解。圖3d顯示了在基于DME的電解液中循環(huán)后的鋰金屬負(fù)極,可以看到金屬鋰上具有大量團(tuán)塊的不平整表面,表明非均勻的鋰剝離/電鍍過(guò)程和嚴(yán)重的鋰金屬腐蝕。而在HFE基電解質(zhì)的情況下(圖3f),可以觀察到?jīng)]有團(tuán)塊的均勻表面,表明HFE基電解質(zhì)中的鋰脫落/沉積過(guò)程穩(wěn)定且鋰金屬腐蝕有限。如圖3e所示,在基于DME的電解質(zhì)中,可以在循環(huán)的鋰金屬負(fù)極表面檢測(cè)到Se-信號(hào),這表明多硫化硒遷移到負(fù)極側(cè)并直接與鋰金屬負(fù)極反應(yīng)。相比之下,使用基于HFE的電解質(zhì)在循環(huán)鋰金屬負(fù)極的表面上無(wú)法檢測(cè)到可見的Se-(圖3g)。此外,由于Li-N和Li-F化合物被認(rèn)為是鋰金屬負(fù)極表面SEI的主要成分,作者選擇N-和F-信號(hào)作為指標(biāo)來(lái)分析兩種不同電解質(zhì)中形成的SEI。如圖3e所示,N-和F-信號(hào)在傳統(tǒng)的基于DME的電解質(zhì)中分布不均勻,表明形成的SEI在循環(huán)過(guò)程中很難保持其形狀。在基于HFE的電解質(zhì)中,N-和F-信號(hào)分布均勻(圖3g),表明在鋰金屬負(fù)極表面形成了穩(wěn)定的SEI。

 

4. 正極材料的原位相變分析
 

作者對(duì)OMSH-Se/S正極在HFE基電解質(zhì)中充電/放電期間進(jìn)行原位高能X射線衍射(HEXRD)表征,以監(jiān)測(cè)相變。如圖4a所示,位于4.48°、6.39°、6.71°、7.48°、7.75°、8.03°、8.33°和8.39°處的峰可以分配給結(jié)晶Se摻雜S相,其強(qiáng)度隨著放電深度的增加開始降低,說(shuō)明放電過(guò)程中Se/S正極不斷還原。由于Se摻雜,與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)晶S相比,原始OMSH-Se/S正極的峰位移有輕微的變化。在~1.5 V的放電截止電壓下,一些摻硒的S峰幾乎消失了(4.48°、7.2°、8.33°、8.39° 和 9.9°),而一些峰(7.5°、7.8° , 和 9.1˚)仍然存在,但與標(biāo)準(zhǔn)Li2Se和Li2S的峰重疊。盡管如此,可以看出7.8˚處的峰強(qiáng)度從3.33小時(shí)增加到4.8小時(shí),這應(yīng)該是由于Li2S的形成。此外,考慮到電池在原位XRD測(cè)量過(guò)程中的高放電比容量(1206 mAh g-1),大部分摻硒的S在放電過(guò)程中被還原形成Li2S和Li2Se。同時(shí),位于10.43˚的峰強(qiáng)度在~1.0 h開始增加,表明逐漸形成了一種結(jié)晶中間體。之后,該峰值強(qiáng)度在接近放電過(guò)程結(jié)束時(shí)開始降低,并在截止電壓處幾乎消失。在充電過(guò)程中,10.43˚峰強(qiáng)度在約7.0 h開始增加,然后迅速消失,表明在充電過(guò)程中也存在這種結(jié)晶中間體;谥暗脑籜RD和Li2S2的理論研究,該峰可能是Li2S2。進(jìn)一步的充電過(guò)程中硫信號(hào)的恢復(fù),表明在充電過(guò)程中Li2S(Li2Se)不斷轉(zhuǎn)化為Se摻雜的S。原位HEXRD結(jié)果證實(shí)了OMSH-Se/S正極在HFE基電解質(zhì)中具有優(yōu)異的可逆性和高活性材料利用效率。

 

圖片

圖4. 正極材料的原位相變分析

 

作者利用近邊緣結(jié)構(gòu)原位X射線吸收(XANES)進(jìn)一步對(duì)探測(cè)在放電至1.8 V過(guò)程中Se原子周圍的環(huán)境進(jìn)行了表征。如圖4b和4c所示,隨著放電深度的增加,Se的吸附強(qiáng)度(~12658.7 eV)逐漸降低,表明Se/S的連續(xù)還原。同時(shí),Li2Se的吸附強(qiáng)度(~12663.6 eV)在放電過(guò)程中逐漸增加,表明在放電過(guò)程中形成了Li2Se產(chǎn)物。此外,如圖4b和4d所示,Se原子在12658.7 eV 和 12663. 6 eV之間沒有能量轉(zhuǎn)移,這與之前報(bào)道的Se/S正極在碳酸鹽基電解質(zhì)中的行為一致,但與DME基電解質(zhì)中的行為不同。因此,可以得出結(jié)論,HFE基電解質(zhì)中的OMSH-Se/S正極經(jīng)歷了準(zhǔn)固-固(脫)鋰化過(guò)程,繞過(guò)了多硫化物中間體的形成,從而消除了穿梭引起的容量衰減。

 

5. OMSH-Se/S正極與HFE基電解質(zhì)組合的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證
 

由于引入了有序的大孔主體材料和Se摻雜,有效地提高了OMSH-Se/S正極的電化學(xué)氧化還原動(dòng)力學(xué)。如圖5a所示,當(dāng)厚OMSH-Se/S正極(5.2 mg cm-2)在0 ℃下循環(huán)時(shí),正極在100次循環(huán)后仍可提供并保持> 4.2 mAh cm-2的可逆容量。然而,低溫條件會(huì)影響電化學(xué)氧化還原和SEI形成動(dòng)力學(xué)。此外,電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率等物理性質(zhì)也會(huì)受到低溫條件的影響。因此,SEI在低溫條件下形成和穩(wěn)定需要更長(zhǎng)的時(shí)間,導(dǎo)致早期循環(huán)性能異常。然而,一旦SEI在幾個(gè)循環(huán)后形成良好,循環(huán)性能就可以恢復(fù)正常。然后,作者評(píng)估了厚OMSH Se/S正極(5.0 mg cm-2)在HFE基電解質(zhì)中55℃的高溫下的電化學(xué)性能。

圖片

圖5. OMSH-Se/S正極與HFE基電解質(zhì)組合的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

 

如圖5b所示,較高的溫度可以進(jìn)一步增強(qiáng)OMSH-Se/S正極的電化學(xué)氧化還原動(dòng)力學(xué),從而產(chǎn)生1215.97 mAh g-1的高比容量,并且可以保持750.94 mAh g-1的比容量。即使在高面積Se/S負(fù)載下,50次循環(huán)后仍能保持750.94 mAh g-1的比容量。由于高溫條件會(huì)導(dǎo)致聚丙烯隔膜的熱變形,并且還會(huì)增強(qiáng)副反應(yīng)動(dòng)力學(xué),因此在早期循環(huán)中也觀察到了穩(wěn)定過(guò)程。然而,經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)后,一旦內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定下來(lái),性能恢復(fù)正常。

 

作者隨后使用實(shí)用的軟包電池配置測(cè)試了OMSH-Se/S正極在HFE基電解質(zhì)中的電化學(xué)性能。軟包電池配置如圖5c所示。作者首先評(píng)估了基于OMSH-Se/S正極和HFE基電解質(zhì)的Li-Se/S軟包電池的性能,以200 μm厚的鋰金屬箔為負(fù)極,并將E/S比控制在10 μL mg-1。如圖5d和5e所示,組裝后的Li-Se/S軟包電池在200 mA g-1的電流密度下可提供830.76 mAh g-1的初始比容量。同時(shí),50次循環(huán)后仍能很好地保持650.23 mAh g-1的比容量,對(duì)應(yīng)的容量保持率為78.27%。

 

為了提供高真實(shí)的電池比能量,作者認(rèn)為還應(yīng)仔細(xì)控制鋰金屬負(fù)極和電解質(zhì)的量。因此,作者應(yīng)用薄鋰金屬箔(40 μm)作為負(fù)極,并將Li-Se/S軟包電池的E/S比控制在7 μL mg-1,從而增強(qiáng)Li-Se/S軟包電池的穩(wěn)定性。如圖5f和5g所示,組裝后的Li-Se/S軟包電池在200 mA g-1時(shí)可提供931.12 mAh g-1的初始比容量。此外,該電池在70次循環(huán)中可以很好地保持> 99.3 %的高庫(kù)侖效率。

 

Chen Zhao, Amine Daali, Inhui Hwang, Tianyi Li, Xingkang Huang, David Robertson, Zhenzhen Yang, Steve Trask, Wenqian Xu, Cheng-Jun Sun, Gui-Liang Xu, Khalil Amine, Pushing lithium-sulfur batteries towards practical working conditions through cathode-electrolyte synergy, Angewandte Chemie International Edition, 2022, https://doi.org/10.1002/anie.202203466
 

(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰硫電池 陰極電解質(zhì)
免責(zé)聲明:本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),與中國(guó)電池聯(lián)盟無(wú)關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實(shí),對(duì)本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾,請(qǐng)讀者僅作參考,并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來(lái)源:XXX(非中國(guó)電池聯(lián)盟)”的作品,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的,請(qǐng)?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行,以便我們及時(shí)處理。
QQ:503204601
郵箱:cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞
本月熱點(diǎn)
歡迎投稿
聯(lián)系人:王女士
Email:cbcu#cbcu.com.cn
發(fā)送郵件時(shí)用@替換#
電話:010-56284224
在線投稿
企業(yè)微信號(hào)
微信公眾號(hào)