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斯坦福大學利用兩親聚合物優化鋰硫電池陰極
http://www.iecnta.live 2013-02-20 16:08:45
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  鋰硫電池與現在市場主流的鋰電池相比,有著許多明顯的優勢,具有電池能量密度大、造價低的特點。然而,鋰硫電池的隨著充放電次數的增加其容量衰減情況相當嚴重。現在,斯坦福大學的YiCui教授發現了鋰硫電池陰極容量衰減的新機理,并著力于克服這種現象。

  YiCui發現的新的容量衰減機理具體為:在放電過程中硫化鋰會從碳原子表面分離。為了解決這個問題,研究人員采用兩親性聚合物來優化碳層表面。實驗結果顯示,采用這類聚合物后,容量達到1180毫安時/克。在300次充放電循環后,其容量保持率在80%左右。

  經過優化后的鋰硫電池陰極容量與充放電循環次數的關系圖

  試驗中的鋰硫電池陰極容量約為1673毫安時/克,整塊電池的容量為2600瓦時/千克,比傳統的采用金屬氧化物陰極以及石墨陽極的鋰離子電池高得多。

  此外,該研究團隊還采用了他們早前使用過的方法——人造一個納米纖維硫陰極將其安裝在2032型紐扣電池中作為對電極。電池用1.7伏電壓以0.2倍放電速率放電,并強制維持其放電速率在1.7伏,直到其放電電流小于5微安為止。過程中,研究人員利用透射電子顯微鏡(TEM)成像技術觀察到鋰硫原子沿著空心納米管收縮。

  由于硫化鋰的密度低于硫,這意味著硫原子發生鋰化時會發生體積膨脹。從碳壁處分離的硫化鋰中多余的化合物沿著中空納米管排出。多余的Li2S會從碳基分離,造成能量損失。

  為了研究所添加的兩親聚合物(有親水性/疏水性聚合物組成)在硫原子表面及空心碳納米纖維之間的性能變化,他們采用了聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP),該材料具有簡單的分子結構以及在消除疏水界面方面具有良好的熱力學驅動力。

  實驗表明,經過優化后的中空碳纖維納米管/硫陰極表現出良好的儲容量。在0.2倍放電速率下,容量為1180毫安時,在0.5倍放電速率下,容量為920毫安時,在1倍放電速率下,容量為820毫安時,數據比較接近,也意味著新型材料的性能比較穩定。

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