Краткое описание высокоэффективной квазитвердотельной натрий-серной батареи комнатной температуры

По сравнению с традиционными натриево-серными батареями (рабочая температура 300 ~ 350 ° C) натриево-серные батареи комнатной температуры обладают значительными преимуществами, такими как высокая плотность энергии (1274 Вт · ч · кг-1) и хорошая безопасность. Однако современные натрий-серные батареи при комнатной температуре по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими как серьезный саморазряд, вызванный эффектом полисульфидного челнока, короткий срок службы и рост дендритов, вызванный анодами из металлического натрия. Метод физической фиксации серы, который обычно объединяет серу с пористым углеродным материалом, недостаточно подавляет эффект челнока. Следовательно, введение химических связей в композиты сера-углерод для усиления эффекта связывания серы является разумной идеей для разработки высокоэффективных серных электродов. С другой стороны, использование полимерных электролитов вместо органических электролитов может значительно снизить опасность возгорания аккумулятора и утечки жидкости. Однако полимерные электролиты обычно имеют низкую проводимость и дефекты на границе раздела электрод / электролит с высоким импедансом, что ограничивает их применение в серных батареях.

В связи с этим недавно исследовательская группа профессора Ван Госю из Сиднейского университета науки и технологий, исследовательская группа профессора Ли Баохуа из Шэньчжэньской аспирантуры университета Цинхуа и исследовательская группа профессора Мишеля Армана из Университета Цинхуа. Институт CICEnergigune в Испании сотрудничал с целью разработки высокоэффективных полимерных катодных материалов и гелей, содержащих серу, путем органического синтеза. Полимерный электролит наносится на натриево-серную батарею комнатной температуры, чтобы продемонстрировать превосходные рабочие характеристики и безопасность. Путем анализа механизма установлено, что полимерный серный электрод может эффективно фиксировать серу за счет химических связей, подавляя эффект челнока; в то же время гелевый полимерный электролит с высокой проводимостью не только может значительно ингибировать диффузию полисульфида, но также способствовать образованию стабильного натрия в цикле. Интерфейс металлический анод / полимерный электролит. Статья опубликована в ведущем международном химическом журнале Angew.Chem.Int.Ed. (Импакт-фактор: 12,102).

Фигура 1. Принципиальная схема приготовления квазитвердой натрий-серной батареи. Сначала был приготовлен полимерный серный материал путем добавления мономера пентаэритритолтетраакрилата (ПЭТЭА) к расплавленной сере при 185 ° C, а затем компаундирован с пористой углеродной матрицей для получения полимерная сера @ углеродный катодный материал. Затем мономер ПЭТЭА и мономер трис (2-акрилоилоксиэтил) изоцианурат (THEICTA) растворяли в органическом электролите, и гибкую гелевую полимеризацию получали in situ в мембране из стекловолокна под мембраной из электролита УФ-излучения. Наконец, квазитвердотельный натрий-серный аккумулятор комнатной температуры был собран с композитным полимерным серным электродом, гелевым полимерным электролитом и анодом из металлического натрия.

Фигура 2. Характеристика полимерного серного электрода (а) спектры 1H-ЯМР и (b) S2pXPS; (c) спектр XRD полимерной серы и полимерной серы на углероде; (d) натрий / электролит / сера @ углерод и натрий / электролит / полимерная сера @ Кривая CV угольной батареи при 0,1 мВ / с.

Рисунок 3. Характеристика гелевого полимерного электролита на основе (PETEA-THEICTA). (A) Инфракрасные спектральные изменения до и после образования геля; (б) Кривая изменения проводимости-температуры. Гелевый полимерный электролит имеет удельную проводимость при комнатной температуре 3,85 × 10-3 См / см; (c) кривая циркуляции постоянного тока симметричной батареи натрий / гелевый полимерный электролит / натрий при 0,1 мА / см 2; (d) электролит и визуальное наблюдение образования / диффузии полисульфидов в гелевых полимерных электролитах; (e) Энергия связи между полисульфидом Na2S6 и PETEA и THEICTA.

Рисунок 4. Электрохимические характеристики квазитвердой натрий-серной батареи: (а) кривые заряда и разряда при различных токах и (б) скоростные характеристики; (c) продолжительность цикла батареи при 0,1 ° C. После 100 циклов он все еще может достигать 736 мАч / г. (d) Натрий / электролит / сера @ углерод и (e) натрий / гелевый полимерный электролит / полимерная сера @ углеродная батарея Морфология отрицательного электрода из металлического натрия после 100 циклов 0,1 ° C. Использование гелевого полимерного электролита значительно ингибирует полисульфид. отложение и рост дендритов натрия; (f) сравнение производительности с зарегистрированными полимерными натриево-серными батареями комнатной температуры.

Резюме:

1) Новый полимерный серный электрод и функционализированный гелевый полимерный электролитный материал были успешно получены с использованием мономера, сшивающего звезду;

2) В квазитвердотельных натрий-серных батареях комнатной температуры полимерный серный электрод обеспечивает прочную фиксацию серы за счет химических связей, в то время как гелевый полимерный электролит с высокой проводимостью и высокой безопасностью может одновременно ингибировать диффузию полисульфида и стабилизировать металлический натрий. Интерфейс отрицательного электрода / электролита; эта двойная оптимизация позволяет натрий-серной батарее при комнатной температуре демонстрировать хорошую обратимую емкость и циклические характеристики.

Эта работа открыла новый путь для разработки недорогих, высокопроизводительных натриево-серных батарей для комнатной температуры.

Страница содержит содержимое машинного перевода.