多元碱金属离子在锂硫化聚丙烯腈电池中实现高稳定锂沉积

山 东 化 工
  收稿日期:2020-12-24
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51327902)作者简介:张超,江苏宿迁人,在读研究生,主要从事锂金属负极材料研究;通信作者:祝昌军。
多元碱金属离子在锂硫化聚丙烯腈电池中实现高稳定锂沉积
张超1,张彪2,娄瑾1,王玉2,帅毅3,陈康华1,2,祝昌军2
(1.中南大学轻合金研究院,湖南长沙 410083;2.中南大学粉末冶金研究院,
湖南长沙 4
10083;3.湖南工程学院机械工程系,湖南湘潭 411104)摘要:锂-硫化聚丙烯腈电池是具有高容量的锂金属电池。但是锂金属负极枝晶生长问题一直制约了该电池的发展。用来稳定正极材
料硫化聚丙烯腈的碳酸酯类电解液中,锂枝晶生长尤为严重。本文通过在碳酸酯类电解液中添加混合碱金属离子,在Na+
和K+的共同作用下,锂枝晶的生长被明显的抑制。应用在锂铜半电池中得到了高而稳定的库伦效率。而且,锂-硫化聚丙烯腈电池的循环稳定性
得到了极大的改善。在1C(1C=700mAg-1
)大倍率下,100次循环后放电容量保持率依然能达到80%,远高于未加其他碱金属离子的48%。关键词:硫化聚丙烯腈;锂金属电池;碱金属离子;锂枝晶中图分类号:TM911;O646     文献标识码:A    文章编号:1008-021X(2021)06-0012-04
PolybasicAlkaliMetalIonsRealizingHighlyStable
LithiumDepositioninLithiumSulfidePolyacrylonitrileBatteries
ZhangChao1,ZhangBiao2,LouJin1,WangYu2,ShuaiYi3,ChenKanghua1,2,ZhuChangjun
(1.LightAlloyResearchInstitute,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan 410083,China;
2.PowderMetallurgyResearchInstitute,CentralSouthUniversity,Changsha 410083,China;3.DepartmentofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan 411104,China)
Abstract:Lithium-sulfurizedpolyacrylonitrilebatteriesarelithiummetalbatterieswithhighcapacity.However,thedendritic
growthoflithiummetalnegativeelectrodehasalwaysrestrictedthedevelopmentofthisbattery.Inthecarbonateelectrolyteusedtostabilizethepositiveelectrodematerialpolyacrylonitrilesulfide,thegrowthoflithiumdendritesisparticularlyserious.Inthis
paper,byaddingpolybasicalkalimetalionstothecarbonateelectrolyte,underthejointactionofNa+andK+
,thegrowthoflithiumdendritesisobviouslyinhibited.Highandstablecoulombicefficiencyisobtainedwhenappliedtolithiumcopperhalf-cells.Moreover,thecyclestabilityoflithium-sulfurizedpolyacrylonitrilebatterieshasbeengreatlyimproved.Atahighrateof1C
(1C=700mAg-1
),thedischargecapacityretentionratecanstillreach80%after100cycles,whichismuchhigherthan48%withoutotheralkalimetalions.Keywords:sulfurizedpolyacrylonitrile;lithiummetalbattery;alkalimetalion;lithiumdendrites  锂-
硫化聚丙烯腈(Li-SPAN)电池是具有高能量密度的最具吸引力的锂金属电池(LMB)之一。但是,仍然存在一些技术挑战,并限制了它们的实际应用。在这些技术挑战中,锂枝晶的生长被认为是LMB的最严重问题。即使锂金属阳极具有
极高的理论比容量(3860mAhg-1
)和低负电位(-3.040V,相对于标准氢电极),它们也会引起不良的电化学性能和安全问题。尤其是在碳酸盐电解质中,锂树枝状晶体的生长变得更加突出,并带来了严重的危险,即隔膜会被刺穿,从而导致电池在长时间循环中短路。此外,锂树枝状晶体会不断消耗电解质,
直到不再满足对L
i-SPAN电池充电和放电的必要要求[1]
。因此,即使SPAN正极材料可以提供高而稳定的电化学比容量,所
有这些因素也阻碍了Li-SPAN电池的商业化[2]
近年来,研究人员已经做出许多努力来解决锂金属阳极的安全性问题。为了抑制树枝状晶体的生长,一种有效的方法是获得稳定且连续的固体电解质界面膜(SEI膜),该膜形成于锂
金属和电解质之间,包括无机/有机杂化物[3-4]
离子导电聚合物[5],合金膜[6],离子液体[7],固态电解质[8]或二维或三维集流体[9-10]。迄今为止,尽管这些方法尚未完全解决锂树枝状晶体的问题,但在锂金属表面的工程设计方面已取得了很大进展。在这些方法中,从实用性,成本和能量密度的视角来看,电解质的改性显示出其独特的优点。
通常使用阴离子,阳离子和溶剂来改善电解质,以增强S
EI膜的机械性能和均匀性,并调节溶剂的溶解度。例如,碳酸氟
乙烯酯(
FEC)提供丰富的F-可以与锂离子生成LiF,从而获得均匀致密的无机SEI膜[11]
。碳酸亚乙烯酯(VC)衍生出的由高
分子组成的表面膜抑制了锂与电解质之间有害反应[12]
。但是,这类电解液在成膜过程中会不断被消耗。除此之外,一类添加剂不会与电解液和金属锂反应,而是通过调控锂离子的沉积行
为来抑制枝晶的生长[
13]
。例如,有效还原电位低于锂离子标准还原电位的碱金属阳离子(
Cs+,K+)可形成静电屏蔽[14-15],以抑制锂树枝状晶体的生长。Na+具有与Li+
相近的反应活性以
及电解质相容性[16],
添加少量的Na+
在电解液中,基于Na与Li共沉积的作用,可以抑制枝晶的生长[17-18]
本文通过在电解液中添加多元碱金属离子(Na+
,K+),在没有成膜添加剂的条件下,对其浓度进行优化,得到了良好的
抑制锂枝晶生长的效果。将优化的电解液应用在L
i-SPAN电池中,获得了良好的循环性能。
1 实验部分1.1 电解液制备
六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟磷酸钾(KPF6)和六氟磷酸钠(NaPF6
)皆购于阿拉丁化学试剂有限公司。电解液溶剂由碳酸亚乙酯(
EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)以体积·
21·SHANDONGCHEMICALINDUSTRY            2021年第50卷
 第6期比为1
∶1∶1组成。本文中所用电解液详细配比及其简称见表1。表1 本文中所用电解液配比信息
Table1 ElectrolyteformulationsusedinthisworkElectrolyteabbreviationFormulation
E01molLiPF6i
nEC/EMC/DMC,1∶1∶1EK0.95molLiPF6,0.05MKPF6inEC/EMC/DMC,1∶1∶1EN0.85molLiPF6,0.15MNaPF6inEC/EMC/DMC,1∶1∶1EKN
0.8molLiPF6,0.05MKPF6,0.15MNaPF6i
nEC/EMC/DMC,1∶1∶12.2 正极材料制备
质量比为5∶1的硫(S)和聚丙烯腈(PAN)和物质的量比为
3∶0.01的S和硫化促进剂(VAs)用于合成SPAN复合材料。将
混合物在氩气下以5℃m
in-1的速率加热到155℃保持2h,然后再加热到280℃再保持6h。将得到的SPAN、乙炔黑、羧甲基纤维素钠按照7∶2∶1的质量比混合,加3mL去离子水,利用
研纅将其充分混合,
制备成浆料,然后用涂覆模具将浆料均匀涂在厚度为15μm的铝箔上,用鼓风烘箱80℃烘干后转移至120℃的真空烘箱中10h。并裁成直径为10mm米的SPAN极
片,极片负载约为5mgcm-2
2.3 纽扣电池组装
采用CR2032型纽扣电池壳,并在充满氩气且水氧值低于
0.1×10-6
的手套箱中组装电池。隔膜采用Celgard2400(直径为19mm),每个电池的电解液添加量保持在30μL。所用锂片的直径均为16mm,半电池中的铜箔直径为19mm。
2.4 电化学测试和表征
锂片作对电极,铜箔作为工作电极,组装成锂铜半电池。
通过L
ANDCT2001A电池测试系统对半电池进行测试,沉积电流密度为0.5mAcm-2,沉积量为1mAhcm-2
。对称电池中,锂片同时充当对电极和工作电极。静置2h后,在LANDCT2001A电池测试系统上进行恒流充放电测试,电流密度为
1mAcm-2,沉积量为2mAhcm-2
。Li-SPAN全电池中,SPAN做正极材料,锂片做负极材料,组装完毕后,静置10h,使正负
电极与电解液充分浸润。利用L
ANDCT2001A电池测试系统,在1.0~3.0V的电压范围内,以1C(1C=700mAg-1
)充放电速率进行倍率性能测试。对称电池的交流阻抗测试在CHI600E电化学工作站上进行,频率为101-105Hz,幅度为5mV
。通过扫描电子显微镜(SEM)对锂沉积形貌进行观察。所
观察形貌是通过锂铜半电池在0
.5mAcm-2下,循环10圈,并在最后一圈放电,沉积量为1mAhcm-2
所得。各相关元素为能量散X射线光谱仪(EDS)所探测。
3 结果与讨论3.1 锂铜半电池库伦效率
通过在不同电解液下对锂铜电池进行库伦效率(CE)的测
定,这可以直观反映各电解液对锂枝晶抑制的效果[
9]
。由图1所示,在电流密度为0.5mAcm-2
,沉积量为1mAhcm-2时,E0电解液半电池的库伦效率在75%左右,而且很不稳定,在40圈后迅速下降。EN电解液开始表现出较E0电解液更稳定的库
伦效率,以7
5%的库伦效率保持到了50圈,体现了一定的抑制枝晶生长的效果。由相关文献可知[18]
,钠共沉积后在锂沉积物上观察到凹陷形态,因为钠也更偏向于沉积在活性锂表面上。钠沉积物由于是异物表面而会抑制锂枝晶的生长。同时,锂继续以正常速率沉积在其他区域上,而这些活动区域的高电
流会降低。EK电解液半电池在前55圈显示出了较高的库伦效率,
甚至有达到8
5%,这主要归因于K+的自愈合静电壳层机制。虽然在电解液中单独添加一定量的Na+
或K+起到了较好地抑
制锂枝晶生长的效果,但是效果不是特别明显。而在Na+
和K+
共存的EKN电解液下,半电池表现出了突出的高库伦效率,基本保持在了80%以上,并在30~70圈之间保持在85%左右
的高库伦效率。因此可以看到多元碱金属离子(本文中N
a+,K+)
对锂离子沉积溶出效率起到了明显的改善效果。
图1 不同电解液的锂铜半电池库伦效率
Fig.1 CoulombicefficiencyofLi/Cuhalf-cells
withdifferentelectrolytes
3.2 
界面循环稳定性
图2 不同电解液的对称电池的电压曲线
Fig.2 Voltagecurvesofsymmetricalbatterieswithdifferentelectrolytes
Li-Li对称电池被用来研究电极界面的稳定性。从图2可
看出,不添加其他碱金属的E0电解液,在电流密度1mAcm-2,沉积量为2mAhcm-2时,极化电压在循环120h后,出现明显的增大趋势。这表明界面电阻已经非常不稳定。从图2还可
·
31·张超,等:多元碱金属离子在锂硫化聚丙烯腈电池中实现高稳定锂沉积
山 东 化 工
以看出,在相同条件下,EKN电解液的对称电池循环了近300h
而没有明显的电压滞后现象。而且,我们也可以看出EKN对称电池的极化电压显著低于E0对称电池。
这表明多元碱金属离子的添加对电极界面电阻的稳定起到了关键作用。
3.3 
界面电化学阻抗
图3 循环不同圈数下对称电池的电化学阻抗比较Fig.3 Comparisonofelectrochemicalimpedanceof
symmetricalbatterieswithdifferentcycles
电化学交流阻抗可被用来测试对称电池的界面阻抗。阻
抗谱的中-
高频区半圆反应的是总的界面电阻。通过等效电路图的拟合[19]
,如图3所示,在以对称电池循环了10圈和50圈后,发现E0电池的阻抗从163.3Ω增加到了296.8Ω,增长率为81%。而EKN电池阻抗从119.3Ω增加到了169.8Ω,增
长率为4
2%。这也验证了上述对称电池循环稳定性中的结果。不难看出,阻抗变化小,说明电极界面稳定性较好。因此,多元碱金属离子在循环过程中各司其职,对电极界面的稳定贡献了
力量,这也抑制了锂与电解液之间过多的副反应[
20]
。3.3 锂沉积形貌观察及元素分析
为了更直观的研究锂枝晶的生长情况,我们通过扫描电子
显微镜对锂铜半电池循环10圈后的铜表面枝晶生长形貌进行
分析。如图4
a所示,E0锂铜半电池,循环后铜表面有明显的针状锂枝晶存在。而EKN锂铜半电池中,铜表面上表现出了平整
且均匀的形貌,无明显的枝晶出现(图4
b)。从内嵌的光学图片也可以看出,EKN的铜表面较E0更平整致密。而且,我们根据EDS对EKN锂铜半电池的铜箔表面进行元素分析,可以看到Na(图4d)均匀的沉积在了电极的表面,而未发现K(图4c)的
存在。这说明在钠与锂共沉积时K+
只起到了自愈合静电壳层
机制,并未与其他元素一起沉积[
15]
。这也证实了EKN电解液
对锂枝晶的抑制效果。
图4 (a)E0和(b)EKN电解液在锂铜半电池中电沉积锂后SEM图像;(c,d)EDS分析EKN沉积表面元素成分Fig.4 (a)E0and(b)SEMimageofEKNelectrolyteafterelectrodepositinglithiuminlithiumcopperhalf-cell;
(c,d)EDSanalysisofEKNdepositionsurfaceelementcomposition
3.5 
全电池循环稳定性
图5 E0和EKN电解液的Li-SPAN全电池倍率放电性能Fig.5 Thedischar
gecapacityofLi-SPANbatterywithE0andEKNelectrolytes
·
41·SHANDONGCHEMICALINDUSTRY            2021年第50卷
 第6期  以SPAN为正极,金属锂为负极,组装了Li-SPAN电池。
在1C的倍率下,分别使用E0电解液和EKN电解液,对Li-SPAN电池进行倍率性能测试。如图5所示,使用EKN电解液
的电池表现出了较高的可逆容量(650mAhg-1
),100圈后容量
保持率高达8
0%,而E0电解液下的全电池容量保持率仅为48%。这反映出在NaPF6和KPF6添加剂所提供阳离子的共同作用下,可实现全电池的稳定循环。
4 结论
本文通过在碳酸酯类电解液中添加NaPF6和KPF6
,在没有成膜添加剂的条件下,利用多元碱金属离子的共同作用促进了锂的均匀沉积,在抑制锂金属负极枝晶的生长方面取得了一定
的效果。NaPF6和KPF6作为电解液添加剂的优势在于Na+
能在锂负极表面被还原实现锂钠共沉积,形成锂钠合金,而K+的自愈合静电壳层机制为Li和Na的共沉积提供了便利。在没有成膜添加剂的条件下,取得这样的效果,可为后面研究人员进行深入研究提供思路。
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(上接第11页)
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