储能电池

挑战传统思路!稀释电解液也能提高锂硫电池性能

2020-06-22 08:58:09 材料科学与工程

一直以来通过配制高浓度电解液被认为是遏制锂硫电池中穿梭效应的有效方法。但近日,中南大学吴飞翔等人的研究表明,低浓度的电解液实际上能很好的缓解穿梭效应。通过分子动力学模拟为低浓度电解液良好的电化学性能提供了理论依据。相关论文以题为“Boosting High-Performance in Lithium−Sulfur Batteries via Dilute Electrolyte”发表在Nano Letter上。

(来源:公众号“材料科学与工程”ID:mse_material)

多硫化物的穿梭效应、活性物质损失和电解液的不断被消耗等问题一直是锂硫电池发展的主要障碍。通过使用添加剂、大幅提高电解质的摩尔浓度在之前的报道中被认为是行之有效的方法之一。相反的,降低电解质的摩尔浓度通常被认为会加剧多硫化物的溶解和穿梭效应。但事实是否如此此前很少有学者报道研究。

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本文中,作者选取了常用的LiTFSI/DME/DOL/LiNO3基电解液,通过改变电解质的浓度,发现低浓度(0.1M)的电解液反而具有非常好的电化学性能。同时,循环后的扫描电镜图片发现使用低浓度电解液时,电极沉积层更薄、锂片的光滑度也更好,说明电池中的穿梭效应更小。分析发现低浓度电解液具有更低的密度、更低的粘度和更好的润湿性,有利于锂离子在固-液界面上快速移动,这可以很好的解释大电流循环过程中的高容量和低电压迟滞现象。分子动力学模拟发现:在低浓度时电解液内Li2S2会出现团聚现象;当浓度提高到1 M时,Li2S2会更倾向于离散的分布在电解液内;当再次提高浓度到3 M时,Li2S2会再次团聚,但峰值较0.1 M时还有一定的差距。

总的来说,作者发现低浓度的电解液在锂硫电池中反而可以提供更好的电化学性能。其低密度,高润湿性可以很好的浸润电极。另外低浓度电解液还可以很好的防止多硫化物电解液中的溶解和分散,有效地缓解了多硫化物的穿梭效应。因此,低浓度电解液可能更适合应用于锂硫电池体系,并且也为其他转换型电池的电解液体系研究提供了新的研究思路。(文:Today)

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图1 不同盐浓度下CC-S电极的电化学性能表征。

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图2 (a)-(b) CC-S电极分别在1 M和0.1 M电解质内循环200圈后的SEM照片;(c)-(d) 锂片分别在1 M和0.1 M电解质内循环200圈后的SEM照片;(e)-(f) 电极分别在1 M和0.1 M电解质内循环前后的阻抗图。

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图3 (a)2 ml溶剂和不同体积锂盐的照片和所对应的电解质浓度;(b)-(d)不同浓度电解质的离子电导率、密度和粘度;(e) 不同浓度电解质在CC-S电极上的接触角的照片。

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图4 (a)-(c) 和 (e) 不同电解质浓度中的分子动力学模拟结果;(d) 图(a)-(c)所对应的分子间的径向分布函数;(f) 图(e)中的Li2S2−Li2S4簇结构图。


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