Une réaction de semi-intercalation pour améliorer la cinétique redox des batteries lithium-soufre à l'état solide

Une réaction de semi-intercalation pour améliorer la cinétique redox des batteries lithium-soufre à l'état solide

Informations sur l'auteur et résumé de l'article

En 2022, le Dr Li Chuang de l'Institut de recherche Tsinghua de Shenzhen a développé une batterie en polyacrylonitrile au lithium sulfuré (Li-SPAN) à l'état solide avec un électrolyte polymère recouvert de sel.

Dans cette structure, le soufre est fixé dans le substrat en polyacrylonitrile pendant le cyclage, la formation de Li2S est empêchée, de sorte que ses performances présentent une cinétique redox plus rapide et des changements de volume plus faibles que les systèmes de batterie lithium-soufre à l'état solide conventionnels.

Cet article est le premier rapport à améliorer la cinétique redox des batteries Li-SPAN à semi-conducteurs en modifiant la force des liaisons CS au lieu d'utiliser des catalyseurs, ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour la conception de batteries lithium-soufre à semi-conducteurs plus performantes. à l'avenir.

Protocole experimental

1. Préparation du matériel :1PVHF1FSI électrolyte solide, électrode positive SPAN solide.

2. Test électrochimique :La conductivité ionique de l'électrolyte a été testée par EIS, et la batterie bouton Li-SPAN de type 2032 et les cellules de batterie à emballage souple ont été préparées, et le gonflement de volume des électrodes négatives SPAN et au lithium a été testé à l'aide de la mesure de gonflement d'épaisseur in situ périphérique MCS1000 (IEST).

3. Caractérisation des matériaux :SEM, XPS, Raman, RMN.

Analyse des résultats

Figure 1. Caractérisation des performances de la membrane à électrolyte solide 1PVHF1FSI dans la batterie Li-SPAN

L'auteur caractérise les performances de la membrane à électrolyte solide 1PVHF1FSI dans la batterie Li-SPAN sous de nombreux aspects, on constate qu'elle possède un canal poreux continu, qui peut fournir un bon chemin de conduction ionique, et ses bonnes propriétés mécaniques peuvent inhiber la croissance de dendrites de lithium métal.

Le mécanisme de stockage des lithium-ions dans les batteries Li-SPAN solides à base de 1PVHF1FSI est différent de celui des batteries Li-SPAN liquides, les auteurs suivants ont caractérisé la tension de polarisation, la courbe CV, la capacité de cycle et les performances de taux des trois matériaux d'électrode, il est en outre précisé que SPAN à l'état solide a une meilleure stabilité de cycle et une meilleure capacité de vitesse en raison d'une cinétique redox élevée et d'un faible changement de volume.

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Figure 2. Analyse du mécanisme de stockage de Li dans SPAN à l'état solide

L'auteur a ensuite analysé le mécanisme de stockage du lithium-ion dans SPAN à l'état solide par le biais de dispositifs de test d'épaisseur de gonflement in situ et de raman in situ. Il a été constaté que dans SPAN à l'état solide, la structure Li4S2-PAN a été formée lorsque les ions Li ont rompu la liaison SS lorsqu'ils sont stockés dans SPAN à l'état solide, ce processus est comme une réaction d'intercalation du lithium, donc les auteurs appellent ce mécanisme une quasi-intercalation réaction.

Figure 3. Caractérisation des performances des batteries SPAN en sachet solide

Après avoir analysé le mécanisme de réaction, l'auteur a assemblé des batteries soft-pack SPAN à l'état solide et liquide pour caractériser leur stabilité de cycle et leurs performances de flexion, il a été constaté que la batterie SPAN à l'état solide a une bonne flexibilité, le taux de rétention de capacité est équivalent au les performances de la boucle et la stabilité thermique de l'électrolyte sont également très bonnes, ce qui peut résister à l'influence d'un court-circuit ou d'une piqûre d'aiguille. Dans les applications pratiques, il peut également charger des smartphones.

Résumer

Cet article décrit le développement d'une batterie Li-SPAN à l'état solide avec un électrolyte polymère de haut poids moléculaire encapsulé dans du sel. Dans cette structure, S est immobilisé dans le substrat PAN pendant le cyclage,empêchant la formation de Li2S et entraînant une cinétique redox plus rapide et moins de changement de volume en termes de performances par rapport aux systèmes de batterie Li-S à l'état solide traditionnels.Ce travail fournit une nouvelle approche pour améliorer la cinétique redox du soufre du Li-S à l'état solide batteries.