鋰硫電池之磷鎢酸正極強化攻略

近來,新能源電動車風聲水起,引起了資本的競相追逐,作為新能源車的核心——電池也引起了廣大科研工作者的關注,在研究中,提高電池鋰電池的密度是當前主流的高性能電池生產方向。

目前,鋰硫電池是一種具有高能量密度的電池體系,其理論能量密度高達2600Wh/Kg,遠高於其他鋰離子電池體系。通常,鋰硫電池採用單質硫或硫基複合材料作為正極,金屬鋰作為負極。因為單質硫具有理論比容量高(1675mAh/g)、價格低、儲量豐富、環境相對友好等優點,所以鋰硫電池也成為了電池研究領域的熱點。

锂硫电池图片

但是,鋰硫電池也存在著一些固有缺陷問題:1)單質硫在室溫下為電子和離子的絕緣體,單質硫的絕緣性會導致硫活性物質利用率低、倍率性能差;2)在充放電過程中,電池內部生成易溶於電解液的多硫化鋰,形成所謂的“穿梭效應”。 “穿梭效應”會導致硫活性物質的不可逆損失、電化學可逆性差以及容量衰減快等現象,從而導致電池迴圈壽命短。針對這一現狀,有學者提出使用在單質硫中添加磷鎢酸材料,從而強化電池性能。

磷鎢酸鹽材料(H3PW12O40)熱穩定性高,結構和組成上具有多樣性,能夠進行可逆的、連續的多電子氧化還原,對電子和質子具有傳輸和儲備能力,為硫正極材料的充放電迴圈過程提供穩定的結構。有鑒於磷鎢酸巨大的作用,有學者將其加入鋰硫電池正極中,製成納米微球磷鎢酸鹽/硫正極材料,步驟過程如下:

(1)納米微球磷鎢酸鹽的合成:將無機鹽溶液與磷鎢酸水溶液進行混合,在一定溫度和 攪拌速度條件下反應,反應一定時間,反應完成後,冷卻、過濾、洗滌、烘乾,得到固相納米微 球磷鎢酸鹽材料。所述無機鹽為氯化鉀、硝酸鉀、乙酸鉀、硫酸鉀、氯化銨。

(2)納米微球磷鎢酸鹽/硫複合材料的合成:將納米微球磷鎢酸鹽與硫單質球磨混 合,採用熔融法將單質硫擴散到納米微球磷鎢酸鹽材料的孔道與表面,形成納米微球磷鎢 酸鹽/硫複合材料。,反應溫度為40-80℃,反應攪拌速度為300-800r/ min,反應時間為4h-12h。

(3)電極材料的製備:納米微球磷鎢酸鹽/硫複合材料、導電劑、粘結劑分散到溶劑中,攪拌均勻,形成漿料,塗覆到集流體上,烘乾後,切片。

研究發現,合成的納米微球磷鎢酸鹽材料(H3PW12O40)具有結構和組成上的多樣性,高的熱穩定性,能夠進行可逆的、連續的多電子氧化還原,對電子和質子具有傳輸和儲備能力,為硫正極材料的充放電迴圈過程提供穩定的結構。研究還發現,納米微球磷鎢酸鹽材料(H3PW12O40)相對于現有的多孔炭材料具有豐富的孔道結構、高孔隙率,能有效提高了硫在正極中含量,加上布朗斯特酸性作用,對多硫離子具有較強的化學吸附作用,同時豐富的孔道結構對硫具有物理限制作用,有效的改善了鋰硫電池的迴圈壽命和倍率性能。

 

 

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