金属有机骨架复合材料穿在CNT编织分离器上-用于抑制锂硫电池的穿梭效应.docx

金属有机骨架复合材料穿在CNT编织分离器上，用于抑制锂硫电池的穿梭效应 摘要： 锂 - 硫（Li-S）电池作为一种大有前景的下一代高能二次电池，仍然面临着充电能力低，速率性能差和循环不稳定等严峻挑战，这主要是由其于导电性差以及硫在充-放电循环期间产生的中间多晶硅的溶解。在这项工作中，CNT @ ZIF功能化分离器被设计用于捕获溶解的多晶硅，从而抑制穿梭效应。从沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）和多硫化物之间的路易斯酸碱相互作用中获益，结合碳纳米管（CNT）的再利用效应，对于捕获的聚合物的协同作用，功能化的分离器成功地确定了阴极区域内的多晶硅，因此，可逆容量和循环稳定性得到了显着改善。在0.2C时，可实现1588.4mAhg-1的高初始放电容量和94.8％的硫利用率。与具有裸露隔板的电池相比，100个循环的容量保持率增加36.2％。这种将分离器与均匀化学吸附网络相结合的简便策略对于实现抑制穿梭效应的高能量Li-S电池是有效的。 1、前言： 由于近年来新兴的能源需求，可再充电电池越来越受欢迎。与传统的嵌入式锂离子电池相比，锂硫（Li-S）电池具有更高的理论特性（1675mAhg-1）和更高的特定能量密度（2600Whkg-1），已成为研究最多的锂电池之一。此外，硫磺是锂离子电池的正极材料，具有天然丰富和环境耐受的优点。然而，由于低库仑效率，低硫利用率，低循环寿命和有限的速率性能等缺点，Li-S电池仍然不能满足远程电动汽车和大型储能系统的需求。这些问题归因于元素硫及其固体放电产物（Li2S2 / Li2S）的电子导电性差，循环过程中的巨大体积变化以及由一系列可溶性长链锂聚合物引起的不利的“穿梭效应”。 为了解决这些问题做了很多努力。例如，已经开发了各种具有定制孔结构或表面上的特定官能团的硫载体以限制阴极基质中的多晶硅，例如多孔碳材料，石墨烯衍生材料，金属氧化物和导电聚合物。实际上，进行的研究越多，越明显的是，仅通过仅咀嚼阴极材料就很难将聚硅氧烷保持在阴极内。不可避免地，一旦多聚物溶解在电解质中，它们将通过隔膜进入阳极侧并与锂金属反应，即所谓的“穿梭效应”，导致性能恶化，特别是在长期循环中。作为电池的重要组成部分，隔板用作电子绝缘体以防止短路但有助于阳极和阴极之间的离子连接。不幸的是，在放电 - 充电循环期间产生的多晶硅也可以通过膜自由地使用。为Li-S电池设计近代功能分离器是一种有效且简便的方法来抑制这种穿梭效应。许多用于分离器改性的材料用于捕获多晶硅，例如石墨烯基材料，碳材料，MOF，超分子材料及其复合材料组合。碳涂层隔膜由于其双重功能而受到极大关注，包括作为聚合物 - 提高细胞可逆性的作用障碍和作为上电流收集器。然而，非极性碳材料对聚四氟乙烯的限制因为它是一种物理行为而受到限制。相反，金属有机骨架材料（MOF）可以通过路易斯酸 - 碱相互作用更强地捕获可溶性多聚物。周先生首次报道了基于MOFs的Li-S电池隔膜，它作为可溶性多聚离子的离子筛具有很好的作用。由金属离子和有机配体构成的MOF的杂化性质导致一系列具有高表面积和可调孔隙率的多孔材料。多晶硅电子与太阳能电池表面上的过渡金属离子和官能团复合，使得MOF捕获可溶性多晶硅。因此成为修改分离器的有希望的候选者。然而，它们在电池中的应用受到导电性差的限制，这将大大增加使用它们时整个电池的内阻。因此，有必要添加导电碳材料以确保有效的电子传输。另一个重大挑战在于MOF在使用它们修改分隔符时的差异。作为纳米尺寸的材料，MOF颗粒倾向于随机聚集，如图1所示。这种聚集将导致不完全涂层，并且聚合物仍然可以通过未涂覆区域自由使用。换句话说，由于铲斗的影响，MOF的不均匀分布将无法通过修改。这里，使用沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）作为MOF的典型亚类来改性分离器。 为了解决上述两个问题，引入羧化多壁碳纳米管（MWCNT）以通过来自MWCNT的羧基与来自ZIF-8的Zn2 +之间的键合将ZIF-8连接成串。 因此，附着的ZIF-8可以共享MWCNT的编织网络，从而导致具有有效导电网络的均匀分布。 ZIF-8和MWCNT协同作用以限制阴极侧的多晶硅。 使用这种改性隔膜，含有70wt％硫的传统阴极复合材料在0.2C时具有1588.7mAhg-1的高初始放电容量和优异的循环稳定性，在100次循环后具有36.2％的容量保持率高于没有功能层的电池。 2、实验部分 2.1样品合成 2.1.1CNT @ZIF复合材料的制备 实验中使用的所有化学品均为分析级，并按原样使用。在这项工作中，我们选择了羧基纯化的多瓦碳纳米管（MWCNTs）作为导电基质 准备CNT @ ZIF复合材料。 MWCNTs购自南京XFNANO材料科技有限公司，长度为0.5-2μm，直径为20-30nm。通常，将六水合硝酸锌（Zn（NO 3）2·6H 2