Исследователи из Южно-китайского педагогического университета и Университета Сучжоу сообщили о новом бифункциональном сепараторе литий-серных аккумуляторов (CC-rGO/AB/PP), созданном на основе нового метода синтеза при экстремальном давлении (1 Па, -50 °C) для повышения эффективности Li. -S батареи простым способом.
Растущий спрос на накопители энергии, особенно для электромобилей и электростанций, требует аккумуляторных батарей с большей энергией. Литий-серные (Li-S) батареи теоретически обладают гораздо большей энергоемкостью, чем литий-ионные батареи , и поэтому привлекли к себе большое внимание.
Однако фактический срок службы и эффективность преобразования значительно снижаются из-за эффекта челнока, при котором полисульфиды лития (LiPS) растворяются и проникают к аноду во время разряда, вызывая внутреннее короткое замыкание. Хотя существуют методы подавления эффекта челнока сепаратором, большинству из них все же приходится жертвовать другими показателями производительности, такими как способность транспортировки литий-иона.
Публикация в журнале International Journal of Extreme Manufacturing , группа под руководством профессора Вейшана Ли и Юён Ли изготовила и исследовала ламинарный сепаратор из оксида графена /ацетиленовой черни/полипропилена (CC-rGO/AB/PP) с восстановленным N,O-карбоксиметилхитозаном. .
Восстановленный оксид графена (rGO) — популярный материал, используемый для улучшения характеристик литий-серных (Li-S) аккумуляторов, но традиционный метод его синтеза обычно включает высокие температуры и сложные химические процессы . Кроме того, складчатая и компактная многослойная структура rGO не подходит для транспортировки ионов лития из-за малой площади поверхности.
Исследования показывают, что rGO можно получить путем восстановления, индуцированного восстановительными группами, и разделить на монослои путем вставки макромолекул. Стоит отметить, что реакция способствует автоматической сборке внешних «химических частей» на поверхности материала, также известной как самосборка. Между тем, гетероатомы в материалах имеют решающее значение для улучшения характеристик батареи, поскольку они могут обеспечивать активные центры, выполняющие двойную функцию, т. е. отталкивающие LiPS и переносящие Li + .
Чтобы в полной мере использовать все эти характеристики, технологии самосборки и лиофилизации были объединены в новый метод синтеза химически модифицированных монослоев rGO, который также обеспечивает синтетическую эффективность, поскольку экстремальные условия лиофилизации ускоряют как восстановительную реакцию GO, так и гетероатомная модификация. Синтез исключает токсичные органические растворители, упомянутые в аналогичных работах, и использует экологически чистый N, O-карбоксиметилхитозан (CC) для получения восстанавливающих групп и гетероатомов для оксида графена (GO).
Затем CC-rGO смешивали с ацетиленовой сажей (AB) и этой смесью наносили покрытие на полипропиленовую (PP) мембрану для изготовления сепаратора CC-rGO/AB/PP. В результате батарея Li-S с использованием нового сепаратора не только полностью подавляет LiPS, но и демонстрирует значительную транспортировку Li + , что позволяет ей конкурировать или даже превосходить предыдущие лучшие достижения в этой области. Это может не только обеспечить экологически безопасный метод восстановления GO, но и представить новые идеи по разработке и коммерческому производству новых сепараторов для высокоэффективных Li-S аккумуляторов.
Профессор Вейшан Ли, руководитель исследовательской группы Южно-китайского педагогического университета, сказал: «Для подавления челночного эффекта полисульфида лития (LiPS) было предложено множество стратегий. Первая стратегия заключается в разработке носителей серы, которые могут физически адсорбировать LiPS. , такие как углеродные трубки, углеродные сферы и восстановленный оксид графена, или химически адсорбировать LiPS, такие как оксиды, нитриды и сульфиды металлов.В последнее время использование модифицированных катализаторов, которые проявляют сильное сродство с LiPS, для ускорения кинетики превращения между S 8 и Li 2 S также широко используется».
Он отметил: «Эти усилия в некоторой степени улучшают характеристики Li-S аккумуляторов, но нельзя полностью избежать растворения LiPS. используется для подавления эффекта челнока LiPS. Эти сепараторы кажутся эффективными в блокировании проникновения LiPS, но введение других материалов также может препятствовать транспортировке ионов лития».
«Наша работа направлена на поиск материалов с покрытием, которые могут удовлетворить обе стороны, то есть не только подавляют проникновение LiPS, но и способствуют транспортировке литий-иона для улучшения Li-S батареи», — сказал профессор Вейшан Ли.
«На самом деле процесс синтеза восстановленного оксида графена (rGO) из оксида графена (GO) представляет собой преобразование кислородсодержащих групп в свободную воду. Когда мы капали щелочной водный раствор, который может облегчить преобразование, в раствор GO в эксперименте, мы обнаружил, что GO также случайно собрался вместе. Эта авария вдохновила нас на разработку метода синтеза оксида графена, восстановленного N,O-карбоксиметилхитозан (CC-rGO) в экстремальных условиях», — объяснил первый автор доктор Чжибин Цзян.
Исследовательскую группу также интересует микроскопический механизм выдающихся характеристик нового сепаратора, особенно вклад CC-rGO. Доктор Цзян Чжибинь сказал: «Инстинктивная идея состоит в том, чтобы сравнить химическое связывание в сепараторе в полностью разряженном и заряженном состоянии».
Неудивительно, что сигналы связывания между LiPS и гетероатомами и сигналы стабильной структуры CC-rGO были однозначно обнаружены в полностью разряженном состоянии в эксперименте, что подтверждает основной вклад и стабильность CC-rGO. В сочетании с теоретическим моделированием, проведенным группой профессора Юён Ли из Университета Сучжоу, была дополнительно проиллюстрирована роль гетероатомов, а также взаимодействия, обеспечиваемые CC-rGO для LiPS, которые явно сильнее, чем у традиционных материалов.
Д-р Чжибин Цзян сказал: «Это достижение, которое всесторонне учитывает производительность, стоимость, а также экологичность, и изготовленный ламинарный композит CC-rGO обещает широко применяться для высокопроизводительных Li-S аккумуляторов».
