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        新式導電粘結劑增強硅基負極循環壽數

        發布日期:2017-09-28 作者:上海冠麟建筑材料有限公司 點擊:

        鋰離子電池(LIBs)雖在便攜式電子產品中得到廣泛應用,但其低的能量密度限制了其在電動汽車和固定式儲能系統中的大規模應用。而硅負極具有高的理論比容量(約4200mAh/g),但是Si在與鋰合金化過程中有劇烈的體積變化(>300%),使電極材料在反復的充放電過程中因反復的膨脹和收縮造成電極材料粉化并脫離集流體,導致電極材料的容量迅速衰減,阻礙其商業化的應用。

            人們通過制備納米結構Si,控制電壓和使用新型粘結劑去解決上述問題。對于納米級Si負極,主要問題是在循環過程中因為導電添加劑與活性材料之間沒有機械結合力而使其容易失去電子連接。開發新型的粘結劑去提高硅負極的循環穩定性是一個有效的方法。


        北京大學的潘鋒設計開發了一種新型聚合物(PF-COONa)用于鋰離子電池中高容量硅負極的導電粘結劑,聚合物鏈中豐富的羧基可以有效增強對Si納米粒子(NPs)的結合力,聚合物的n型聚芴(二苯并五環)骨架在負極還原環境下顯著促進電子的傳導,其雙重特征可以在鋰化/脫鋰循環期間保持電子的完整性。

            值得注意的是,聚合物可以與Si NPs表面的極性基團反應形成強烈的化學鍵,從而在反復進行充/放電之后真正保持電極的機械完整性和良好的電子導電性。該新型聚合物粘結劑解決了循環期間由劇烈的體積變化導致的硅負極容量快速衰減和差的循環壽命等問題。


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        圖1.解決電池材料容量變化問題的方法原理圖。(a)使用乙炔黑(AB)作為導電劑和非導電聚合物作為機械粘合劑的傳統方法。 (b)替代導電添加劑和非導電粘合劑,導電粘合劑可以在重復的充電/放電循環期間保持電極的電學性能和機械完整性。(c)新型導電聚合物聚(3,3-(9H芴-9,9-二基)二丙酸鈉)的合成路線,縮寫為PF-COONa。


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        圖2.(a)室溫下,0.2mV/s的掃描速率,PF-COONa電極在0.01至3.0V(vs Li/Li+)之間的循環伏安圖。 (b)在不同電位純PF-COONa聚合物增強導電性。(c)Si/PF-COONa,Si/AB/CMCNa和Si/PFO電極的附著力(插圖是聚合物PFO的結構)。 (d)電解液中PF-COONa和PFO聚合物膜的膨脹試驗。


        所合成的新型聚合物粘結劑用于Si負極表現出優異的循環穩定性。當Si的負載量為0.19mg/cm2時,Si/PF-COONa電極在0.1C的倍率下其首次可逆比容量高達3291mAh/g,接近Si的理論比容量。

            循環100圈后的可逆比容量為2806mAh/g,相應的容量保持率為85.2%。并且前兩個循環后,庫倫效率迅速增加并且在隨后的循環中保持高度穩定,表明出優異的可逆循環性能。

            當Si/PF-COONa電極中Si的負載量增加到0.61mg/cm2時,在0.1C下循環100圈后電極仍然表現出2521mAh/g的可逆比容量,容量保持率達84%。通過比較Si/碳納米管(CNT)/PF-COONa電極的電化學性能從而進一步評估PF-COONa新型粘合劑。

            添加CNT的電極在循環100次后表現出2824mAh/g的可逆比容量,相應的容量保留率高達95.1%,通過向電極中添加CNT可以進一步提高Si電極的循環穩定性。


        Si/PF-COONa電極也表現出優異的倍率性能,表明其具有優良的導電性。

            在0.05,0.1,0.2,0.5,1和2C的倍率下Si/PF-COONa電極的可逆比容量分別為3433,3043,2742,2344,1678和1424mAh/g,并且當電流密度返回到0.05C時,Si/PF-COONa電極的可逆比容量恢復到3113mAh/g。

            對于長期循環性能,Si/PF-COONa電極在1C的電流密度下循環1000圈后仍保持999mAh/g的比容量,對于無任何導電添加劑的純Si基電極而言,該比容量是相當高的,表明了電極良好的電子傳導性和機械完整性。


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        圖3.Si基電極的電化學性能。 (a)在0.01和3.0V(vs Li/Li+)之間的Si/PF-COONa電極的典型CV曲線,掃描速率為0.2mV/s。(b)電流密度為420mA/g的Si/ PF-COONa電極的第1次,第2次和第100次循環曲線。(c)在420mA/g的電流密度下,在0.01和1V的電壓之間Si/PF-COONa電極,Si/CNT /PF-COONa電極和高負載Si/PFCOONa電極的循環性能。(d)Si/PF-COONa電極在電流密度為210,420,840,2100,4200,8400mA/g時的倍率性能。 (e)在4200mA/g的高電流密度下,Si/PF-COONa電極的循環性能。

        上海冠麟建筑材料有限公司直銷(法國)偉伯粘結劑,(美國)雷帝粘結劑,德高粘結劑等砂漿類世界品牌產品,10年來,一直致力于瓷磚/石材粘結劑的推廣,向萬科集團,和記黃埔,萬達地產,SOHO(中國)、中海地產、保利地產、上海瑞虹地產、上海寶華地產、中建裝飾、蘇州金螳螂裝飾、浙江亞廈裝飾,上海全筑裝飾,北京建工裝飾、深圳深裝總裝飾、江蘇建設裝飾等多家房地產、建筑裝飾公司提供專業的瓷磚和石材粘貼及防水施工服務,在上海、北京、大連、廣東、江蘇、浙江、海南等地有知名的案列,留下了良好的口碑。 



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