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辐照交联制备低分子量聚丙烯腈纤维锂硫电池正极材料及其储硫机理
张诗昱, 何润合, 李永兵, 魏士俊, 张兴祥
高等学校化学学报    2022, 43 (3): 20210632-.   DOI:10.7503/cjcu20210632
摘要   (961 HTML12 PDF(pc) (10865KB)(200)  

通过γ射线辐照交联异型聚丙烯腈(PAN)纤维解决了低分子量聚丙烯腈半碳化中的熔融坍塌问题, 提高了PAN的半碳化稳定性; 采用傅里叶变换红外光谱、 元素分析及核磁共振波谱确定了辐照交联机理. 同时, 根据辐照产生的不同交联度与PAN硫化后载硫量的变化关系, 探讨了硫化聚丙烯腈(SPAN)锂硫电池正极材料的储硫机理. 利用拉曼光谱及X射线光电子能谱等分析手段表征了SPAN中硫原子的反应位置, 说明PAN主链上的亚甲基所在的碳为与硫化学结合的活性位点, 为探究SPAN结构提供了新的依据. 交联度升高对硫化后所形成的SPAN正极材料的电化学稳定性起促进作用, 容量保持率可提升至98%.



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Fig.9 Cycling performance(A) and electrochemical impedance spectra(B) of SPAN electrodes with different cross?linking degrees
正文中引用本图/表的段落
探究了不同交联度下SPAN复合材料作正极时电池的性能. 图9(A)示出了3种电极材料组装成电池后100圈下的循环特性.在0.2C倍率下, 由SPAN组装的电池的首次放电比容量约为1197 mA?h/g, 循环100圈后的容量保持率约为89%(从第二圈开始计算), 而由SPAN-IR200和SPAN-IR300组装的电池在0.2C倍率下首次放电比容量分别为1059 mA?h/g和994 mA?h/g, 因辐照导致SPAN-IR200及SPAN-IR300的载硫量下降, 所以相较于SPAN, 其比容量受载硫量影响略有降低, 但硫利用率相差不大, 循环100圈后两电池的容量保持率分别提升至93%和98%. SPAN-IR200及SPAN-IR300电池的容量衰减趋势表现在循环曲线的平缓走势上, 两电池的容量衰减程度均小于SPAN, 说明前期交联有利于提高SPAN电极的循环稳定性. 对比3种电极材料的阻抗谱图[图9(B)]可见, 交联度最高的SPAN-IR300电极材料在高频区域的半圆直径最小, 表明其电荷转移电阻最小. 相比之下SPAN-IR200和SPAN的电阻逐渐增大. 由此可知交联度增加可有效减少电极极化, 对材料电化学循环稳定性起促进作用, 与循环性能曲线分析一致. 交联使PAN硫化过程中环化加剧, 形成更加规整有利于电子传导的结构, 虽然阻碍了硫的接入, 但使SPAN主链框架的电化学稳定性提升.
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