Kurze Beschreibung einer Hochleistungs-Quasi-Festkörper-Natrium-Schwefel-Batterie bei Raumtemperatur

Im Vergleich zu herkömmlichen Natrium-Schwefel-Batterien (Betriebstemperatur 300 bis 350 ° C) weisen Natrium-Schwefel-Batterien bei Raumtemperatur erhebliche Vorteile wie eine hohe Energiedichte (1274 Whkg-1) und eine gute Sicherheit auf. Gegenwärtige Natrium-Schwefel-Batterien bei Raumtemperatur sind jedoch immer noch mit vielen Problemen konfrontiert, wie z. B. einer starken Selbstentladung, die durch den Polysulfid-Shuttle-Effekt verursacht wird, einer kurzen Lebensdauer und einem durch Natriummetallanoden verursachten Dendritenwachstum. Das physikalische Schwefelfixierungsverfahren, das herkömmlicherweise Schwefel mit einem porösen Kohlenstoffmaterial kombiniert, unterdrückt den Shuttle-Effekt nicht ausreichend. Daher ist die Einführung chemischer Bindungen in die Schwefel-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe zur Verbesserung des Schwefelfixierungseffekts eine vernünftige Idee für die Entwicklung von Hochleistungs-Schwefelelektroden. Andererseits kann die Verwendung von Polymerelektrolyten anstelle von organischen Elektrolyten die Sicherheitsrisiken der Batteriezündung und des Austritts von Flüssigkeit erheblich verringern. Polymerelektrolyte weisen jedoch im Allgemeinen eine geringe Leitfähigkeit und hochohmige Grenzflächendefekte zwischen Elektrode und Elektrolyt auf, wodurch ihre Natriumanwendung in Schwefelbatterien begrenzt wird.

Vor diesem Hintergrund haben kürzlich die Forschungsgruppe von Professor Wang Guoxiu von der Universität für Wissenschaft und Technologie in Sydney, die Forschungsgruppe von Professor Li Baohua von der Shenzhen Graduate School der Tsinghua Universität und die Forschungsgruppe von Prof. Michel Armand von Das spanische CICEnergigune-Institut arbeitete zusammen, um Hochleistungs-Polymer-Schwefelkathodenmaterialien und -gele durch organische Synthese zu entwickeln. Das Polymerelektrolytmaterial wird auf eine Natrium-Schwefel-Batterie bei Raumtemperatur aufgebracht, um eine ausgezeichnete Zyklusleistung und Sicherheit zu zeigen. Durch Mechanismusanalyse wurde gefunden, dass die Polymerschwefelelektrode Schwefel durch chemische Bindungen effektiv fixieren kann, um den Shuttle-Effekt zu hemmen; Gleichzeitig kann der Gelpolymerelektrolyt mit hoher Leitfähigkeit nicht nur die Diffusion von Polysulfid signifikant hemmen, sondern auch zur Bildung von stabilem Natrium im Zyklus beitragen. Grenzfläche zwischen Metallanode und Polymerelektrolyt. Der Artikel wurde in der internationalen Top-Chemie-Zeitschrift Angew.Chem.Int.Ed veröffentlicht. (Impact Factor: 12.102).

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Herstellung einer quasi-festen Natrium-Schwefel-Batterie. Zunächst wurde ein Polymer-Schwefel-Material hergestellt, indem Pentaerythrit-Tetraacrylat (PETEA) -Monomer zu geschmolzenem Schwefel bei 185 ° C gegeben und dann mit einer porösen Kohlenstoffmatrix gemischt wurde, um eine zu erhalten Polymer Schwefel @ Kohlenstoff Kathodenmaterial. Anschließend wurden PETEA-Monomer und Tris (2-acryloyloxyethyl) isocyanurat (THEICTA) -Monomer in einem organischen Elektrolyten gelöst und eine flexible Gelpolymerisation in situ in einer Glasfasermembran unter einer UV-Bestrahlungselektrolytmembran hergestellt. Schließlich wurde eine Quasi-Festkörper-Natrium-Schwefel-Batterie bei Raumtemperatur mit einer Verbundpolymer-Schwefelelektrode, einem Gelpolymerelektrolyten und einer Natriummetallanode zusammengebaut.

Figur 2. Charakterisierung einer Polymer-Schwefelelektrode (a) 1H-NMR- und (b) S2pXPS-Spektren; (c) XRD-Spektrum von Polymerschwefel und Polymerschwefel @ Kohlenstoff; (d) Natrium / Elektrolyt / Schwefel @ Kohlenstoff und Natrium / Elektrolyt / Polymer Schwefel @ Die CV-Kurve der Kohlenstoffbatterie bei 0,1 mV / s.

Figur 3. Charakterisierung eines (PETEA-THEICTA) -basierten Gelpolymerelektrolyten (a) Infrarotspektraländerungen vor und nach der Gelbildung; (b) Leitfähigkeit-Temperatur-Änderungskurve. Der Gelpolymerelektrolyt hat eine Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von 3,85 × 10 –3 S / cm; (c) eine Konstantstromzirkulationskurve einer symmetrischen Natrium / Gel-Polymerelektrolyt / Natrium-Batterie bei 0,1 mA / cm 2; (d) ein Elektrolyt und visuelle Beobachtung der Polysulfidbildung / -diffusion in Gelpolymerelektrolyten; (e) Bindungsenergie zwischen Polysulfid Na2S6 und PETEA und THEICTA.

Figur 4. Elektrochemische Leistung einer quasi-festen Natrium-Schwefel-Batterie: (a) Lade- und Entladekurven bei unterschiedlichen Strömen und (b) Geschwindigkeitsleistung; (c) Batteriezyklusleistung bei 0,1 ° C. Nach 100 Zyklen kann es immer noch 736 mAh / g erreichen. (d) Natrium / Elektrolyt / Schwefel @ Kohlenstoff und (e) Natrium / Gel-Polymer-Elektrolyt / Polymer Schwefel @ Kohlenstoff-Batterie Die Morphologie der negativen Natriummetallelektrode nach 100 Zyklen von 0,1 ° C. Die Verwendung eines Gelpolymerelektrolyten hemmt Polysulfid signifikant Ablagerung und Natriumdendritenwachstum; (f) Leistungsvergleich mit angegebenen Natriumschwefelbatterien bei Polymertemperatur bei Raumtemperatur.

Zusammenfassung:

1) Eine neue Polymerschwefelelektrode und ein funktionalisiertes Gelpolymerelektrolytmaterial wurden erfolgreich unter Verwendung eines sternvernetzenden Monomers hergestellt;

2) In Quasi-Festkörper-Natrium-Schwefel-Batterien bei Raumtemperatur erreicht die Polymer-Schwefel-Elektrode eine starke Schwefel-Fixierung durch chemische Bindungen, während der Gel-Polymer-Elektrolyt mit hoher Leitfähigkeit und hoher Sicherheit gleichzeitig die Polysulfid-Diffusion hemmen und Natriummetall stabilisieren kann. Negative Elektrode / Elektrolyt-Grenzfläche; Diese doppelte Optimierung ermöglicht es der Natrium-Schwefel-Batterie bei Raumtemperatur, eine gute reversible Kapazität und Zyklusleistung aufzuweisen.

Diese Arbeit hat einen neuen Weg für die Entwicklung kostengünstiger Hochleistungs-Natrium-Schwefel-Batterien bei Raumtemperatur eröffnet.

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