الکترولیت ژل پلیمری در باتری لیتیوم- گوگرد

دسته: مقالات منتشر شده در 12 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 388

الکترولیت ژل پلیمری جدید برای باتری های لیتیوم- گوگرد با عملکرد بالا

پتانسیل غلبه بر تجزیه پلی سولفیدهای لیتیوم در الکترولیت مایع (LE) در حال ظهور بوده و از لحاظ علمی چالش برانگیز است که نشان دهنده تلاش ها در جهت تجاری سازی موفقیت آمیز باتری های لیتیوم-گوگرد (Li-S) است. در این زمینه، استراتژی رایج و موثر برای مقابله با این چالش جایگزینی LE با الکترولیت پلیمر ژل (GPE) است. با این حال، رسانش یونی محدود GPE های پیشرفته و رابط های الکترود/GPE ضعیف عملکرد آنها را بسیار محدود می کند. در اینجا، ما برای اولین بار GPE با پایه پنتا اریتریتول تترااکریلات (PETEA) را از طریق سنتز آسان درجا با رسانش یونی بسیار بالا گزارش می کنیم. این GPE حتی با یک کاتد گوگرد برهنه در ارتباط است و باتری پلیمری Li-S حاصل را با مقاومت سطحی الکترود/GPE کم، سرعت بالا و حفظ ظرفیت بهبود یافته (81.9 درصد) نشان می دهد. این عملکردهای قابل توجه را می توان به بی تحرکی پلی سولفیدهای محلول ارائه شده توسط GPE با پایه PETEA و ایجاد یک رابط یکپارچه GPE/ الکترود نسبت داد. نکته مهم این است که به دلیل چسبندگی بالا بین GPE با پایه PETEA و الکترودها، یک باتری پلیمری Li-S با انعطاف پذیری و عملکرد بالا با موفقیت ساخته شد. بنابراین، این کار روشی مناسب، کم هزینه و موثر برای افزایش قابل ملاحظه پتانسیل باتری های Li-S ارائه می دهد که گامی کلیدی در جهت استفاده از GPE در باتری های Li-S با عملکرد بالا خواهد بود.

 

تحقیقات اخیر شاهد پیشرفت سریع باتری های لیتیوم یونی (LIBs) در دو دهه گذشته بوده است. با این حال، به دلیل وجود انرژی ناکافی، LIB ها هنوز نمی توانند الزامات وسایل نقلیه الکتریکی (EV) و سیستم های ذخیره انرژی (EES) را برآورده کنند. در مقابل، باتری لیتیوم-گوگرد (Li-S) از انرژی خاص 2500 وات ساعت بر کیلوگرم برخوردار است که بیش از 10 برابر بیشتر از باتری های لیتیوم-یون معمولی است. با توجه به خواص مفیدی همچون دسترسی فراوان، غیر سمی بودن و زیست سازگار بودن عنصر گوگرد باتری های Li-S به طور روزافزون بعنوان یکی از امیدوارکننده ترین سیستم ها در دستگاه های ذخیره سازی انرژی نسل بعدی شناخته می شوند. با این حال، موفقیت تجاری این باتری ها با برخی محدودیت ها من جمله رسانش الکترونیکی کم ذرات گوگرد و تغییرات ساختاری/حجمی زیاد آنها (79 درصد) در حین واکنش کاتدی از S به Li₂S و در نتیجه، از دست دادن ظرفیت و عملکرد درگیر است. مهم تر از آن، پلی سولفیدهای لیتیوم که بعنوان رابط در طی فرایندهای شارژ/تخلیه تشکیل می شوند، در الکترولیت مایع (LE) به خوبی حل شده و به راحتی به آند فلزی لیتیوم منتقل می شوند. سپس، این پلی سولفیدها به Li₂S₂ و Li₂S کاهش می یابند؛ روی آند لیتیوم رسوب کرده و منجر به از بین رفتن مواد فعال و تجزیه سطحی می شوند که ثبات باتری Li-S را تا حد زیادی پایین می آورد. برای غلبه بر تجزیه پلی سولفیدهای لیتیوم در باتری Li-S، همانطور که در بالا هم گفته شد، تلاش زیادی برای نوآوری سیستم LE فعلی انجام شده است. بعنوان یک جایگزین منطقی برای LE معمولی، استفاده از الکترولیت پلیمری (GPE) بعنوان یکی از امیدوارکننده ترین انتخاب ها در رسیدگی به مسئله حلالیت پلی سولفیدها در باتری های Li-S شناخته شده است. عملکرد GPE همچنین دارای مزایایی مانند غلبه بر تشکیل دندریت روی سطح فلز لیتیوم و بهبود ایمنی است. به همین منظور، از GPE های مختلف تهیه شده با روش های پرس گرم، وارونگی فاز یا الکتروریسی در باتری های Li-S استفاده شده است. با این حال، این باتری های پلیمری Li-S اساسا از کاهش سریع ظرفیت و قطبش زیاد رنج می برند که عمدتا به دلیل رسانش یونی محدود GPE ها و مقاومت سطحی بالای الکترود/GPE است. این نکته را باید در نظر گرفت که پیچیدگی سنتز GPE و مونتاژ باتری تهیه شده از GPE نیز به شدت کاربرد GPE را در باتری های Li-S محدود می کند. کلید توسعه اکثر باتری های پلیمری Li-S شناسایی ماده جدید GPE است که به راحتی سنتز می شود و در عین حال، دارای رسانش یونی بالا و مقامت سطحی پایینی است.

 

ما به تازگی یک روش سنتز چندمنظوره برای مجموعه ای از الکترولیت های پلیمری ابداع کردیم که رسانش یونی رضایت بخش و میل ترکیبی خوبی با الکترودها نشان می دهد. همچنین، چنین فرایند سنتزی امکان تشکیل یکپارچه الکترولیت پلیمری و مجموعه الکترولیت/الکترود را نیز فراهم می کند. در اینجا، ما از روش سنتز درجا برای GPE جدید با پایه پنتا اریتریتول تترااکریلات (PETEA) با رسانش یونی بسیار بالا استفاده می کنیم؛ تا جایی که می دانیم، این بالاترین رسانش یونی در بین GPE های به دست آمده از سنتز درجا است (جزئیات بیشتر از انتخاب مونومر و بهینه سازی غلظت GPE ها در جدول و اشکال زیر ارائه شده است).

 

جدول 1:

 Battery SampleCyclenumber

 

شکل 1:

 Synthesis and characterization of the PETEA-based GPE

 

شکل 2:

 Electrochemical performances of LiS batteries by capitalizing on PETEA-based GPE aselectrolyte

 

شکل 3:

Electrochemical measurements of LiS batteries by employing LE and PETEA-based GPE aselectrolyte 

 

شکل 4:

 The immobilization mechanism for polysulfides by capitalizing on PETEA-based GPE aselectrolyte

 

این نکته حائز اهمیت است که ساختار ترکیبی برای اولین بار، بین GPE و یک کاتد برهنه ایجاد شد که به دلیل تثبیت مشخص پلی سولفیدها توسط GPE با پایه PETEA نشان دهنده عملکرد عالی و ثبات چرخه است. مهم تر از همه، GPE تشکیل یک لایه غیرفعال انعطاف پذیر و پایدار را بر روی الکترود گوگرد امکان پذیر می سازد که می تواند به طور موثری از انتشار پلی سولفید جلوگیری کرده و ساختار یکپارچه الکترولیت/الکترود را حفظ کند. واضح است که جایگزینی LE های معمولی با GPE با پایه PETEA که در اینجا توسعه یافته است، بر حلالیت و پدیده شاتل پلی سولفیدها در باتری های Li-S غلیه می کند.

 

در اینجا، ما یک الکترولیت پلیمری ژل (GPE) تهیه شده از پنتا اریتریتول تترااکریلات (PETEA) را با رسانش یونی بسیار بالا برای استفاده در باتری های Li-S ساختیم. نکته جالب اینکه در مقایسه با الکترولیت مایع (LE)، حتی با یک کاتد گوگرد برهنه، ادغام GPE با پایه PETEA در این باتری ها به طور چشمگیری ظرفیت عملکرد و ثبات چرخه را افزایش می دهد. چنین بهبود عملکرد هیجان انگیزی را می توان به ثبات بالای پلی سولفیدها توسط GPE با پایه PETEA و تشکیل لایه غیرفعال سازی پایدار بر روی الکترود گوگرد ناشی از ماتریس پلیمری GPE نسبت داد. همچنین این لایه غیرفعال سازی با انعطاف پذیری بالا باعث ایجاد یک ساختار یکپارچه در برابر تغییر حجم در طول فرایند شارژ/تخلیه می شود و بنابراین، قویا از تجزیه پلی سولفیدها جلوگیری کرده و واکنش بین سطحی الکترود/الکترولیت برگشت ناپذیر را کاهش می دهد. دندریت هایی که به طور مداوم روی سطح الکترود گوگردی رشد می کنند و رسوبات پر مانندی که روی جداکننده ها تشکیل می شوند، در سیستم S/GPE/Li مهار می شوند و به خوبی نشان می دهد که اثر شاتل در باتری های Li-S با موفقیت توسط GPE با پایه PETEA که بعنوان یک مانع پلی سولفید عمل می کند، سرکوب شده است. علاوه براین، به دلیل چسبندگی بالا بین GPE تهیه شده از PETEA و الکترودها، باتری پلیمری Li-S انعطاف پذیر با کارایی بالا که با تغییر شکل مکانیکی کار می کند، با موفقیت توسعه یافته است. در نتیجه، این روش سنتز ساده، کم هزینه و قابل کنترل برای GPE با پایه PETEA در ارتباط با عملکرد عالی باتری Li-S پلیمری مونتاژ شده، این GPE جدید را بعنوان یکی از بهترین جایگزین ها برای الکترولیت های مایع و توسعه باتری های Li-S معرفی می کند.