MoS2纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用

doi:10.7503/cjcu20230325

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 20230325.doi: 10.7503/cjcu20230325

MoS₂纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用

董帮达¹, 翟云云², 刘海清³(), 黄振鹏³, 李祖光¹(), 李蕾³()

^1.浙江工业大学化学工程学院, 杭州 310014
^2.嘉兴学院分析测试中心, 嘉兴 314001
^3.嘉兴学院生物与化学工程学院, 嘉兴市分子识别材料与传感技术重点实验室, 嘉兴 314001

收稿日期:2023-07-14 出版日期:2024-01-10 发布日期:2023-11-06
通讯作者: 刘海清 E-mail:liuhaiqing@mail.zjxu.edu.cn;lzg@zjut.edu.cn;lei.li@zjxu.edu.cn
作者简介:李祖光, 男, 博士, 教授, 主要从事有机功能材料方面的研究. E⁃mail: lzg@zjut.edu.cn
李蕾, 男, 教授, 主要从事微纳功能材料方面的研究. E-mail: lei.li@zjxu.edu.cn
基金资助:
浙江省自然科学基金(LGF21E030003);国家自然科学基金(51503079);嘉兴市科技计划项目(2021AD10012)

Fabrication of MoS₂ Nanosheets Functionalized PAN Lithium Metal Battery Separator and Its Inhibition of Lithium Dendrite

DONG Bangda¹, ZHAI Yunyun², LIU Haiqing³(), HUANG Zhenpeng³, LI Zuguang¹(), LI Lei³()

^1.College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China
^2.Research Center for Analysis and Measurement，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China
^3.Jiaxing Key Laboratory of Molecular Recognition and Sensing，College of Biological，Chemical Sciences and Engineering，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China

Received:2023-07-14 Online:2024-01-10 Published:2023-11-06
Contact: LIU Haiqing E-mail:liuhaiqing@mail.zjxu.edu.cn;lzg@zjut.edu.cn;lei.li@zjxu.edu.cn
Supported by:
the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation, China(LGF21E030003);the National Natural Science Foundation of China(51503079);the Project of Jianxing Science and Technology, China(2021AD10012)

1. ESM to 20230325.pdf(786KB)

摘要/Abstract

摘要：

引导锂离子流的均匀分布可以有效抑制锂枝晶的形成-生长, 推动锂金属电池的产业化应用. 本文采用化学插层法制备出单层或少层、结构完整的MoS₂纳米片, 将二维MoS₂纳米片喷涂到静电纺聚丙烯腈(PAN)纤维膜上, 制得MoS₂@PAN复合隔膜. MoS₂涂层的引入不仅提高了离子电导率(1.02 mS/cm)、 Li⁺迁移数(0.59)和电解液亲和性, 而且降低了复合隔膜的孔径, 使其孔径分布均一. 这些特性协同作用, 调控了通过MoS₂@PAN复合隔膜的Li⁺流分布, 促进了Li⁺在锂金属表面的均匀沉积, 抑制了锂枝晶的形成-生长. 因此, MoS₂@PAN复合隔膜组装的Li/Li电池在1 mA/cm²电流密度下以14 mV的超低过电位可稳定循环长达500 h, 循环后的锂金属表面没有明显的枝晶生长. 此外, MoS₂@PAN复合隔膜组装的LiFePO₄/Li电池在2C倍率下循环550次后保持92%的初始容量, 表现出更稳定的循环性能. 通过隔膜调节Li⁺通量实现了锂的均匀沉积, 为抑制锂枝晶的形成-生长提供了一种可行的策略.

关键词: 二维材料, MoS₂纳米片, 锂金属电池隔膜, 调节Li⁺通量, 抑制锂枝晶形成-生长

Abstract:

Guiding the uniform distribution of Li⁺ flux can effectively inhibit the formation and growth of lithium dendrites， promoting the industrial application of lithium metal batteries. In this study， MoS₂ nanosheets with single or few layers， completed structure were prepared by chemical intercalation method， then two-dimensional MoS₂ nanosheets were sprayed onto electrospun polyacrylonitrile（PAN） fiborus membrane to obtain MoS₂@PAN composite separator. The introduction of MoS₂ coating not only improved ion conductivity（1.02 mS/cm）， Li⁺ transfer number （0.59）， and electrolyte affinity， but also reduced the pore size of the composite membrane， resulting in a uniform pore size distribution. Synergistic effect of these characteristics regulated the Li⁺ flow through MoS₂@PAN separator and promoted the uniform Li^{deposition on the surface of lithium metal， inhibiting the formation and growth of lithium dendrites. Therefore， the Li/Li symmetric cell with MoS₂@PAN separator achieved a stable cycle with a low overpotential of 14 mV for 500 h at 1 mA/cm²， and there was no obvious lithium dendrite growth on the Li anode surface after cycling. Moreover， the LiFePO₄/Li battery assembled with MoS₂@PAN separator maintained an initial capacity of 92% after 550 cycles at 2C， demonstrating more stable cycling performance. This study redistributes the Li⁺flux through a separator to achieve uniform Li deposition， providing a feasible strategy for suppressing the formation and growth of lithium dendrites.}

Key words: Two-dimensional material, MoS₂nanosheet, Lithium metal battery separator, Regulating Li⁺ flux, Suppressing the formation and growth of lithium dendrites

中图分类号:

O646

TrendMD:

董帮达, 翟云云, 刘海清, 黄振鹏, 李祖光, 李蕾. MoS₂纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用. 高等学校化学学报, 2024, 45(1): 20230325.

DONG Bangda, ZHAI Yunyun, LIU Haiqing, HUANG Zhenpeng, LI Zuguang, LI Lei. Fabrication of MoS₂ Nanosheets Functionalized PAN Lithium Metal Battery Separator and Its Inhibition of Lithium Dendrite. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230325.

图/表 10

Fig.1 XRD patterns of Bulk⁃MoS2 and PL⁃MoS2(A), TEM image(B) and HRTEM image(C) of MoS2 nanosheetsInset：（B） photograph of a MoS2 nanosheet suspension；（C） corresponding Fast Fourier transform（FFT） patterns.

Fig.2 SEM images of the surface(A, B) and the cross⁃section(C) of the MoS2@PAN separator

Fig.3 TGA curves(A) and pore size distribution(B) of MoS2@PAN and PAN separators

Fig.4 Contact angles of liquid electrolyte on the surface of MoS2@PAN(A), Celgard(B) and PAN(C) separators

Fig.5 Optical photos before(up) and after(down) heating at 250 ℃ for 30 min(A), LSV curves(B) and AC impedance spectra(C) of MoS2@PAN, Celgard and PAN separatorsInset of (C): Nyquist plots at high⁃frequency.

Fig.6 Results of potentiostatic polarization test of Li/Li symmetric cells with MoS2@PAN(A), Celgard(B) and PAN(C) separatorsInsets: EIS spectra before and after polarization.

Fig.7 Coulomb efficiency of the Cu/Li cells(A) and cycling performance of symmetrical Li/Li cells(B) with MoS2@PAN, Celgard and PAN separators

Fig.8 Cycling stability at 2C(A), rate capability(B), electrochemical impedance spectroscopy before(C) and after(D) 300 cycles at 2C of LFP/Li cells assembled with MoS2@PAN(a), Celgard(b) and PAN(c) separatorsInsets of （C） and （D）： equivalent circuit model.

Fig.9 SEM images of Li anodes in Li/Li cells with Celgard(A), PAN(B) and MoS2@PAN(C) separators after cycling for 500 h, and LFP/Li batteries equipped with MoS2@PAN composite separators after cycling(D) and its enlarged view(E)

Fig.10 Schematic illustration of Li+ flux distribution through MoS2@PAN(A) and PAN(B) separators

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