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南工大新方法让锂硫电池高温下也能正常工作
来源:中化新网 发布时间:2019-9-26 10:56:01

  锂硫电池(Li-S)具有能量密度高、成本低、绿色环保等突出优点,但也存在着诸多困难,比如硫的电子电导率低,反应过程中的穿梭效应引起容量损失,以及由于不耐高温,在高温环境下会导致电池的容量衰减、电池无法正常工作。为了克服这些困难,南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授课题组提出利用硫化聚丙烯腈复合材料(SPAN)作为工作电极,结合实验室长期研制的凝胶聚合物电解质,协同提升锂硫电池的电化学性能,尤其是高温下的电化学性能,并对其循环过程中的反应机理进行了探讨。日前,该成果发表在Cell期刊旗下的iscience上。

 

  据悉,硫化聚丙烯腈复合物(SPAN)是硫粉和聚丙烯腈混合均匀后煅烧得到的,这种材料有利于提高锂硫电池的循环稳定性。“硫化聚丙烯腈复合物电极与商业化隔膜(pp膜)组装的扣式电池,虽然在常温条件下具有优秀的电化学性能,然而随着温度的升高,电极稳定性明显降低,无法在高温环境中正常使用。” 付丽君教授介绍,pp膜,也即聚丙烯膜,是一种广泛商业化运用的隔膜,主要作用是阻隔电子通过,让离子通过。但是其长循环过程中,会有内部短路的情况,造成危险;另外在锂硫电池中也无法阻隔多硫化锂的通过,导致容量损失和循环性能、安全性能不佳。“我们在研究中发现,使用我们实验室长期研制的一种凝胶聚合物膜来替换pp膜,能够提升材料的高温性能,电极的电化学性能在常温、50℃和60℃条件下都优于商业化PP膜。这拓宽了电子器件的使用范围。另外凝胶聚合物膜具有更好的安全性能。”付教授表示。

 

  “我们实验室做的凝胶聚合物隔膜成本低廉,工艺简单,易于大规模合成,非常适合大规模工业化生产。”论文第一作者、南京工业大学硕士研究生刘宇说,“另外,凝胶聚合物隔膜在浸润电解液之后形成凝胶聚合物电解质的准固态体系,不仅能具有pp膜的作用,还能够阻挡多硫化锂通过电解质到达负极,保护负极。从而提升电池的安全性和稳定性。”

 

  而之所以新方法能耐高温,刘宇解释说,商用化的pp膜的内部有少量液体(电解液),在高温环境下不利于电解液的稳定,“而我们的准固态电解质能很好的避免这个问题,在高温条件下比较稳定——因为凝胶膜吸收电解液凝胶化,就像果冻一样,这样就不会存在液体了。另外,温度越高,离子传输速度加快,多硫化物通过隔膜越容易。我们的隔膜几乎不受温度影响,这种凝胶化结构也能够很好地避免多硫化锂的通过,保护了负极。”

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