1、 提出采用有机无机杂化聚合物聚磷腈(PPZ)作为阻燃中间层的概念;2、 聚磷腈共价改性的多孔石墨烯/碳化纤维素纸(PPZ-HG-CCP)可通过PPZ和LiPS之间的亲核取代反应有效抑制LiPS的穿梭效应。3、 PPZ-HG-CCP中间层可以捕集溶解的硫并吸附大量的电解质,并会分解形成致密的保护层,在高温下将热和氧气隔离,同时降低硫正极和电解质的可燃性。4、 具有PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池显示出高放电容量和良好的稳定性。当硫负载量为8.0 mg cm-2时,面容量可达6.5 mAh cm-2。
成果展示
近日,南京理工大学朱俊武教授联合付永胜教授在Advanced Materials上发表题为“Strong Chemical Interaction between Lithium Polysulfides and Flame-Retardant Polyphosphazene for Lithium-Sulfur Batteries with Enhanced Safety and Electrochemical Performance”的研究论文。在此,作者报道了一种阻燃的聚磷腈(PPZ)共价改性的多孔石墨烯/碳化纤维素纸作为Li-S电池中的多功能中间层。放电/充电过程中生成的LiPS会被该阻燃中间层通过PPZ和LiPS之间的亲核取代反应捕获,从而有效抑制LiPS的穿梭,增强Li-S电池的循环稳定性。这种强的化学相互作用增加了锂离子的扩散,从而加速了锂化反应。此外,所获得的中间层可以用作新的3D集流体,以建立阻燃的“副电极”,该电极可以捕获溶解的硫并吸收大量电解质,从而显著降低硫正极和电解液的可燃性,提高Li-S电池的安全性。这项工作为使用基于PPZ的材料作为LiPS的强吸附剂和面向下一代Li-S电池的阻燃中间层提供了可行策略。
图3 a)含PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池循环伏安曲线。b)具有PPZ-HG-CCP中间层的电池在0.2至3 C的不同倍率下的充放电曲线。c)具有HG-CCP和PPZ-HG-CCP中间层的电池的倍率性能。d)具有HG-CCP和PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池在0.2 C时的循环性能。e)具有HG-CCP和PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池在1 C时的循环性能。f)带有PPZ-HG-CPP中间层的Li-S电池在不同硫负载量下的循环性能,充放电倍率为0.2 C。g)带有PPZ-HG-CPP中间层的Li-S电池在2 C的循环性能。 PPZ-HG-CCP的电导率为8.333 S cm-1,高的电导率可归因于引入PPZ后形成了含交替单键和双键的共轭结构。高导电性PPZ-HG-CCP可以用作“副电极”,以提高硫的电导率和反应动力学。如图3b,c所示,带有PPZ-HG-CCP中间层的电池比带有HG-CCP中间层的电池具有更高的比容量,尤其是在0.2、0.5和1 C的较低倍率下。在电流密度为0.2、0.5、1.0、2.0和3.0 C时,具有PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池的比容量分别为1197、1097.8、956.5、877.9和782.4 mAh g-1。当电流密度恢复到0.2 C时,放电比容量仍可恢复到1188.9 mAh g-1,表明该电池具有良好的可逆性。此外,在不同电流密度下具有PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池的库仑效率几乎为100%(图3c)。图3d显示了0.2 C下具有PPZ-HG-CCP和HG-CCP中间层的Li-S电池的循环性能。带有PPZ-HG-CCP中间层的电池可提供更好的电化学循环稳定性:初始放电比容量高达1191.3 mAh g-1,经历100圈循环后的比容量仍为1019 mAh g-1,容量保持率为85.5%。拆解含PPZ-HG-CCP中间层的电池,发现其PP隔膜和锂负极的表面几乎保持原始的颜色和平坦度,表明对LiPS的穿梭具有好的抑制作用。图3e比较了上述Li-S电池在1.0 C的高倍率下的长期循环性能。带有PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池容量保持率为89.7%,远高于采用HG-CCP的Li-S电池。为进一步评估其应用潜力,组装了硫含量不同的Li-S电池。如图3f所示,所有电池在50圈循环后都表现出出色的循环稳定性。当硫负载量高达8.0 mg cm-2时,面容量可以达到6.5 mAh cm-2。此外,带有PPZ-HG-CCP中间层的电池在2 C的倍率下,在500圈循环中显示出出色的循环稳定性,具有92.4%的高容量保持率(图3g)。
Strong Chemical Interaction between Lithium Polysulfides and Flame-Retardant Polyphosphazene for Lithium-Sulfur Batteries with Enhanced Safety and Electrochemical Performance. Adv. Mater. 2021, 2007549.https://doi.org/10.1002/adma.202007549 清新电源投稿通道(Scan)