Breve descripción de la batería de sodio-azufre a temperatura ambiente de estado cuasi sólido de alto rendimiento

En comparación con las baterías tradicionales de sodio-azufre (temperatura de funcionamiento 300 ~ 350 ° C), las baterías de sodio-azufre a temperatura ambiente tienen ventajas significativas como alta densidad de energía (1274Whkg-1) y buena seguridad. Sin embargo, las baterías de sodio-azufre a temperatura ambiente actuales todavía enfrentan muchos problemas, como una autodescarga severa causada por el efecto lanzadera de polisulfuro, un ciclo de vida corto y el crecimiento de dendrita causado por los ánodos de sodio metálico. El método de fijación física de azufre que combina convencionalmente azufre con un material de carbono poroso no suprime suficientemente el efecto lanzadera. Por lo tanto, la introducción de enlaces químicos en los compuestos de azufre-carbono para mejorar el efecto de fijación de azufre es una idea razonable para el desarrollo de electrodos de azufre de alto rendimiento. Por otro lado, el uso de electrolitos poliméricos en lugar de electrolitos orgánicos puede reducir significativamente los riesgos de seguridad del encendido de la batería y la fuga de líquido. Sin embargo, los electrolitos de polímero generalmente tienen defectos de interfaz electrodo / electrolito de baja conductividad y alta impedancia, lo que limita su aplicación de sodio en baterías de azufre.

En vista de esto, recientemente, el grupo de investigación del profesor Wang Guoxiu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Sydney, el grupo de investigación del profesor Li Baohua de la Escuela de Graduados de Shenzhen de la Universidad de Tsinghua, y el grupo de investigación del profesor Michel Armand de el Instituto CICEnergigune de España colaboró en el desarrollo de geles y materiales poliméricos de cátodos de azufre de alto rendimiento por síntesis orgánica. El material polimérico de electrolito se aplica a una batería de sodio-azufre a temperatura ambiente para exhibir un excelente rendimiento de ciclo y seguridad. A través del análisis del mecanismo, se encuentra que el electrodo de azufre de polímero puede fijar eficazmente el azufre a través de enlaces químicos para inhibir el efecto lanzadera; Al mismo tiempo, el electrolito de polímero en gel de alta conductividad no solo puede inhibir significativamente la difusión del polisulfuro, sino que también ayuda a formar sodio estable en el ciclo. Interfaz de electrolito de polímero / ánodo de metal. El artículo fue publicado en la revista internacional de química líder Angew.Chem.Int.Ed. (Factor de impacto: 12,102).

Figura 1. Diagrama esquemático de la preparación de una batería cuasi-sólida de sodio-azufre, primero, se preparó un material polimérico de azufre agregando monómero de tetraacrilato de pentaeritritol (PETEA) al azufre fundido a 185 ° C, y luego se combinó con una matriz de carbono porosa para obtener un polímero de azufre @ material de cátodo de carbono. Posteriormente, el monómero de PETEA y el monómero de tris (2-acriloiloxietil) isocianurato (THEICTA) se disolvieron en un electrolito orgánico y se preparó una polimerización en gel flexible in situ en una membrana de fibra de vidrio bajo una membrana electrolítica de irradiación UV. Finalmente, se montó una batería de sodio-azufre a temperatura ambiente de estado casi sólido con un electrodo de polímero compuesto de azufre, un electrolito de polímero en gel y un ánodo de sodio metálico.

Figura 2. Caracterización de un electrodo de polímero de azufre (a) espectros de 1H-NMR y (b) S2pXPS; (c) Espectro XRD de azufre polimérico y azufre polimérico @ carbono; (d) sodio / electrolito / azufre @ carbono y sodio / electrolito / polímero azufre @ La curva CV de la batería de carbono a 0,1 mV / s.

Figura 3. Caracterización de un electrolito de polímero en gel basado en (PETEA-THEICTA) (a) Cambios espectrales infrarrojos antes y después de la formación del gel; (b) Curva de cambio de conductividad-temperatura. El electrolito de polímero en gel tiene una conductividad a temperatura ambiente de 3,85 x 10-3 S / cm; (c) una curva de circulación de corriente constante de una batería simétrica sodio / gel polímero electrolito / sodio a 0,1 mA / cm 2; (d) un electrolito y observación visual de la formación / difusión de polisulfuro en electrolitos de polímero en gel; (e) Energía de unión entre el polisulfuro Na2S6 y PETEA y THEICTA.

Figura 4. Comportamiento electroquímico de una batería cuasi sólida de sodio-azufre: (a) curvas de carga y descarga a diferentes corrientes y (b) rendimiento de velocidad; (c) rendimiento del ciclo de la batería a 0,1 ° C. Todavía puede alcanzar los 736 mAh / g después de 100 ciclos. (d) Batería de sodio / electrolito / azufre @ carbono y (e) sodio / gel polímero electrolito / polímero azufre @ carbono batería La morfología del electrodo negativo de metal sodio después de 100 ciclos de 0,1 C. El uso de un electrolito polímero gel inhibe significativamente el polisulfuro deposición y crecimiento de dendrita de sodio; (f) comparación de rendimiento con baterías de polímero de azufre de sodio a temperatura ambiente informadas.

Resumen:

1) Se prepararon con éxito un nuevo electrodo polimérico de azufre y un material electrolítico polimérico gelificado funcionalizado utilizando un monómero reticulante en estrella;

2) En baterías de sodio-azufre a temperatura ambiente cuasi-sólido, el electrodo de polímero de azufre logra una fuerte fijación de azufre a través de enlaces químicos, mientras que el electrolito de polímero en gel con alta conductividad y alta seguridad puede inhibir simultáneamente la difusión de polisulfuro y estabilizar el sodio metálico. Interfaz electrodo negativo / electrolito; esta optimización dual permite que la batería de sodio-azufre a temperatura ambiente muestre una buena capacidad reversible y un buen rendimiento de ciclo.

Este trabajo ha abierto un nuevo camino para el desarrollo de baterías de sodio-azufre a temperatura ambiente de bajo costo y alto rendimiento.

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