提升充电机充电锂硫蓄电池循环寿命的酸化碳纳米管纸诱导阳离子原位聚合是如何生成的？
2017-10-12 9:41:03 点击：
【导言】
充电机充电锂硫蓄电池因为具有高的理论能量密度而受到研究人员的广泛关注。向充电机充电锂硫蓄电池系统中引进固态电解质，不只能按捺多硫化物的络绎效应及其导致的库仑功率下降及容量衰减等问题，还能处理循环充电机充放电进程中构成的锂枝晶导致的安全隐患。要进步充电机充电锂硫蓄电池的循环稳定性，就需要在深化理解固态电解质的构成机理及导电机制的基础上，研制一起具有高的离子选择性及高的锂离子电导率的固态电解质资料。
【效果简介】
近来，美国麻省理工学院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大学的张校刚教授（共同通讯作者）及徐桂银博士（榜首作者）等选用充电机充电锂硫蓄电池常用的醚基电解质（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳纳米管纸（以下分别用CNTP和ACNTP表明酸化处理前、后的碳纳米管纸）诱导1,3-二氧戊环（DOL）进行阳离子原位聚合，在ACNTP外表原位生成了柔性、可自愈的固态电解质薄膜。这种固态电解质薄膜具有高度的离子选择性，能将可溶性多硫化物密封在正极室，但答应锂离子的双向通过，然后有用按捺了络绎效应，并进步了充电机充电锂硫蓄电池的循环寿数。以金属锂作为负极，以负载硫的活性炭（AC/S）作为正极，选用常用的醚基电解质溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP为聚丙烯）三明治结构作为隔膜构成的扣式充电机充电蓄电池，在电化学测验中表现出良好的循环稳定性：当充电机充放电倍率为1C（1675 mA/g）时，其初始比容量为683 mAh/g，在循环充电机充放电400圈后仍保持有454 mAh/g的放电比容量。该充电机充电锂硫蓄电池的库仑功率高达99%，均匀每圈循环随同的容量衰减仅为0.1%。该研究效果以“Ad hoc solid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”为题，发表在Energ. Environ. Sci.上。
【图文导读】
ACNTP诱导DOL的阳离子原位聚合
(a) 犬牙交错的钢筋网。向钢筋网上倾倒液态混凝土并使之固化，即可得到巩固的钢筋-混凝土结构。
(b) ACNTP在醚基电解质（DOL/DME）溶液中诱导DOL发作阳离子原位聚合的进程示意图。
(c) 未触摸电解质溶液的ACNTP；(d) 与电解质溶液触摸后构成的ACNTP/固态电解质复合结构；(e) 通过循环充电机充放电后的ACNTP/固态电解质的SEM图画。
固态电解质的机械功能测验
用SEM中的纳米操作探针对ACNTP上原位生成的固态电解质进行(a) 划痕试验；(b) 拉伸试验。
电化学功能表征
(a) 充电机充电锂硫蓄电池系统中含有ACNTP时AC/S正极的循环伏安曲线，扫描速度为0.2 mV/s。
(b, c) 充电机充放电倍率为0.5C时，AC/S正极、含有CNTP及ACNTP时的AC/S正极的 (b) 第10圈恒流充电机充放电曲线；(c) 长循环稳定功能。
(d) 充电机充放电倍率为1C时，含有ACNTP时AC/S正极的长循环稳定功能及库仑功率。
ACNTP的描摹、结构表征及其外表吸附Li2Sn (n=1,2,4)的结构示意图
(a) ACNTP的SEM截面图。
(b) 充电机充放电循环50圈后ACNTP的SEM图画，充电机充放电倍率为0.5C。
(c-f) 图b对应的EDS元素分布图。
(g) ACNTP外表嫁接-COOH结构示意图。
(h-j) ACNTP外表的-COOH与 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意图，插图为其差分电荷密度图。
(k) ACNTP外表嫁接-OH结构示意图。
(l-n) ACNTP外表的-OH与 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意图，插图为其差分电荷密度图。
充电机充放电前后的ACNTP描摹表征及分子动力学模仿成果
(a) ACNTP；(b, c) 经循环充电机充放电后ACNTP的TEM图画。
(d) 用分子动力学模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）随时刻的变化图。
(f) Li+在TFSI-之间以跳动的方式进行分散。
【小结】
这项作业通过简略的酸处理在碳纳米管纸外表引进了-COOH和-OH基团，并在酸性基团的诱导下使电解质溶液中的DOL发作阳离子聚合反应，原位生成了柔性、可自愈的固态电解质薄膜。这种固态电解质薄膜能将可溶性多硫化物约束在正极室内，有用按捺了络绎效应，然后进步了充电机充电锂硫蓄电池系统的循环稳定性和库仑功率。该固态电解质不只能够用于阻隔充电机充电锂硫蓄电池中的多硫离子于正极区，还能对负极的金属锂起到维护效果，然后进步充电机充电蓄电池的安全性。
充电机充电锂硫蓄电池因为具有高的理论能量密度而受到研究人员的广泛关注。向充电机充电锂硫蓄电池系统中引进固态电解质，不只能按捺多硫化物的络绎效应及其导致的库仑功率下降及容量衰减等问题，还能处理循环充电机充放电进程中构成的锂枝晶导致的安全隐患。要进步充电机充电锂硫蓄电池的循环稳定性，就需要在深化理解固态电解质的构成机理及导电机制的基础上，研制一起具有高的离子选择性及高的锂离子电导率的固态电解质资料。
【效果简介】
近来，美国麻省理工学院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大学的张校刚教授（共同通讯作者）及徐桂银博士（榜首作者）等选用充电机充电锂硫蓄电池常用的醚基电解质（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳纳米管纸（以下分别用CNTP和ACNTP表明酸化处理前、后的碳纳米管纸）诱导1,3-二氧戊环（DOL）进行阳离子原位聚合，在ACNTP外表原位生成了柔性、可自愈的固态电解质薄膜。这种固态电解质薄膜具有高度的离子选择性，能将可溶性多硫化物密封在正极室，但答应锂离子的双向通过，然后有用按捺了络绎效应，并进步了充电机充电锂硫蓄电池的循环寿数。以金属锂作为负极，以负载硫的活性炭（AC/S）作为正极，选用常用的醚基电解质溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP为聚丙烯）三明治结构作为隔膜构成的扣式充电机充电蓄电池，在电化学测验中表现出良好的循环稳定性：当充电机充放电倍率为1C（1675 mA/g）时，其初始比容量为683 mAh/g，在循环充电机充放电400圈后仍保持有454 mAh/g的放电比容量。该充电机充电锂硫蓄电池的库仑功率高达99%，均匀每圈循环随同的容量衰减仅为0.1%。该研究效果以“Ad hoc solid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”为题，发表在Energ. Environ. Sci.上。
【图文导读】
ACNTP诱导DOL的阳离子原位聚合
(a) 犬牙交错的钢筋网。向钢筋网上倾倒液态混凝土并使之固化，即可得到巩固的钢筋-混凝土结构。
(b) ACNTP在醚基电解质（DOL/DME）溶液中诱导DOL发作阳离子原位聚合的进程示意图。
(c) 未触摸电解质溶液的ACNTP；(d) 与电解质溶液触摸后构成的ACNTP/固态电解质复合结构；(e) 通过循环充电机充放电后的ACNTP/固态电解质的SEM图画。
固态电解质的机械功能测验
用SEM中的纳米操作探针对ACNTP上原位生成的固态电解质进行(a) 划痕试验；(b) 拉伸试验。
电化学功能表征
(a) 充电机充电锂硫蓄电池系统中含有ACNTP时AC/S正极的循环伏安曲线，扫描速度为0.2 mV/s。
(b, c) 充电机充放电倍率为0.5C时，AC/S正极、含有CNTP及ACNTP时的AC/S正极的 (b) 第10圈恒流充电机充放电曲线；(c) 长循环稳定功能。
(d) 充电机充放电倍率为1C时，含有ACNTP时AC/S正极的长循环稳定功能及库仑功率。
ACNTP的描摹、结构表征及其外表吸附Li2Sn (n=1,2,4)的结构示意图
(a) ACNTP的SEM截面图。
(b) 充电机充放电循环50圈后ACNTP的SEM图画，充电机充放电倍率为0.5C。
(c-f) 图b对应的EDS元素分布图。
(g) ACNTP外表嫁接-COOH结构示意图。
(h-j) ACNTP外表的-COOH与 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意图，插图为其差分电荷密度图。
(k) ACNTP外表嫁接-OH结构示意图。
(l-n) ACNTP外表的-OH与 Li2Sn (n=1, 2, 4)相互效果的示意图，插图为其差分电荷密度图。
充电机充放电前后的ACNTP描摹表征及分子动力学模仿成果
(a) ACNTP；(b, c) 经循环充电机充放电后ACNTP的TEM图画。
(d) 用分子动力学模仿得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。
(e) 均方位移（MSD）随时刻的变化图。
(f) Li+在TFSI-之间以跳动的方式进行分散。
【小结】
这项作业通过简略的酸处理在碳纳米管纸外表引进了-COOH和-OH基团，并在酸性基团的诱导下使电解质溶液中的DOL发作阳离子聚合反应，原位生成了柔性、可自愈的固态电解质薄膜。这种固态电解质薄膜能将可溶性多硫化物约束在正极室内，有用按捺了络绎效应，然后进步了充电机充电锂硫蓄电池系统的循环稳定性和库仑功率。该固态电解质不只能够用于阻隔充电机充电锂硫蓄电池中的多硫离子于正极区，还能对负极的金属锂起到维护效果，然后进步充电机充电蓄电池的安全性。
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