高安全鋰硫電池性電解質的研究

摘要: 將液態小分子四甲基脲(TMU)與LiTFSI絡閤,製備得到一種新型超分子全固態電解質可進一步提陞鋰硫電池的安全性。

鋰硫電池具有高理論比容量,低成本,環境友好等優點,是下一代高比能二次儲能電池體繫較爲理想的備選方案。而現存於鋰硫電池的正極、負極、電解質等問題阻礙瞭其商業化應用的進展。在正極方麵,硫是一種電子和離子絶緣物,極大限製瞭電池的動力學(倍率)性能。在充放電反應過程中,活性物質硫遵循的固-液-固兩相反應,容易引起穿梭效應,活性物質流失,破壞鋰負極,導緻自放電。對於鋰金屬負極,不均勻的鋰沈積和界麵處與電解質的副反應,極易導緻鋰枝晶的生長、刺穿隔膜、引起電池短路進而引髮熱失控,導緻安全事故髮生。在電解液方麵,鋰硫電池廣泛採用的醚類電解液低閃點,低沸點,在濫用條件下極易漏液,甚至揮髮與燃燒;衕時,鋰硫電池正負極均爲易燃易爆物質,在鋰硫電池商業化進程中,安全性問題是一箇亟待解決的關鍵問題。爲瞭 研究適用於鋰硫電池體繫的功能性電解質,解決鋰硫電池的安全性問題,提陞鋰硫電池壽命。 採用高閃點的1H,1H,5H-八氟戊基-1,1,2,2-四氟乙基醚(1H,1H,5H-tetrafluoropentyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether,TTE)氟代醚作爲共溶劑,製備鋰硫電池氟代醚阻燃電解液。由於TTE是一種惰性成分,因此氟代醚阻燃電解液對多硫化物的溶解度更低。根據點燃測試,氟代醚阻燃電解液具有良好的不可燃性;噴霧測試錶明氟代醚阻燃電解液噴霧能夠有效撲滅明火。熒光顯微鏡結果證實瞭氟代醚阻燃電解液能显著減少鋰金屬負極錶麵副反應,抑製非活性鋰的産生,保護鋰負極。掃描電子顯微鏡(SEM)以及原位電化學光學顯微鏡證實瞭氟代醚阻燃電解液可以抑製枝晶生長,防止內部微短路,從而進一步確保電池的安全性。與塗炭隔膜搭配後,採用氟代醚阻燃電解液組裝的鋰硫電池錶現齣優異的長循環性能(1000圈循環後,使用氟代醚阻燃電解液搭配塗炭隔膜的鋰硫電池仍然具有49.4%的容量保持率);且60℃高溫下也能讓電池穩定循環(100圈容量保持率爲55.9%,遠高於常用1M LiTFSI DOL/DME5wt.%LiNO3電解液(容量保持率28.7%))。搭配4mg cm-2高麵載量硫正極時,鋰硫電池的放電比容量可達1200mAh g-1(0.02C)。 爲瞭進一步提陞鋰硫電池的安全性,將液態小分子四甲基脲(TMU)與 LiTFSI絡閤,製備得到一種新型超分子全固態電解質。此絡閤電解質的熔點56℃,室溫離子電導率可達3.3×10-5S cm-1,電化學窗口高於4.5Vvs.Li|Li+。另外,四甲基脲全固態電解質所組裝的Li|Li對稱電池在40℃下,以10uA cm-2的電流密度,10uAh cm-2的沈積容量穩定循環達到500h,過電位穩定在10mV,SEM形貌錶明該固態電解質能夠很好地抑製枝晶産生。衕時,基於四甲基脲全固態電解質組裝的鋰硫電池能夠在40℃,0.5C下實現首圈超高放電比容量(1558mAh g-1)。

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蟬知7.7