硫化リチウム電池材料研究-リチウムイオン電池機器

最近、中国科学院蘇州ナノテクノロジー・ナノバイオニクス研究所のZhang Yuegang氏の研究グループは、硫化リチウム(Li2S)電極の充電プロセスのリアルタイム観察を可能にするin-situ走査/透過型電子顕微鏡電気化学チップを独自に開発および設計しました。Li2S充電を完全に理解するために、放電メカニズムに基づいて、高窒素ドープグラフェンを充填した硫化リチウム材料がバッテリーの正極として設計されました。充電容量と電圧を制御することで、Li2Sの容量使用率とサイクル寿命が大幅に向上しました。本研究成果は、学術誌「Advanced Energy Materials」に掲載されました。

社会と科学技術の発展に伴い、電気化学エネルギー貯蔵技術に対する人間の需要は日々増加しています。新しいエネルギー貯蔵システムであるリチウム硫黄電池は、理論容量が高く、低コストで、環境にやさしいという利点があり、国内外の研究者に支持されています。に焦点を当てる。大容量リチウム硫黄電池正極材料の研究開発は、新エネルギー電気自動車、携帯電子機器などの開発を促進するために重要です。

硫化リチウム(Li2S)材料の理論容量は1166mAhg-1と高く、これは他の遷移金属酸化物やリン酸塩の数倍です。最初の脱咬帯電プロセス中に発生する体積収縮は、その後のリチウム挿入放電反応のためのスペースを提供することができ、電極構造が損傷しない保護;非リチウム金属負極材料(シリコン、スズなど)で組み立ててバッテリーを組み立てることができ、リチウムデンドライトの形成やその他の問題によって引き起こされる安全上の問題を効果的に防ぐことができます。これは、大きな開発の可能性を秘めたリチウム硫黄電池の正極です。材料。しかし、電子伝導性・イオン伝導性が低く、反応中間生成物であるポリスルフィドが電解液に溶解することによるシャトル効果などの問題があり、リチウム硫黄電池への実用化には限界があります。(リチウムイオン電池機器)

リチウム硫黄電池の容量利用率とサイクル寿命を改善するために、研究者は通常、硫黄を高比表面積と高導電率の多孔質材料(カーボンナノチューブ、多孔質炭素、グラフェン、炭素繊維など)に充填します。以前の研究で、Zhang Yuegangの研究グループは、酸化グラフェンに窒素ドープ官能基を導入することで、電解液中のポリスルフィドの溶解を効果的に減らすだけでなく、堆積プロセス中のポリスルフィドの分布を最適化できることを発見しました(NanoLetters、2014、14,4821-4827)。Li2Sの容量利用率とサイクル寿命を改善するために、チームはin-situ特性評価技術を使用してLi2Sの溶解と再堆積のメカニズムを研究し、初期起動バッテリー電圧を3.8Vに調整し、電圧(1.7~2.4V)と充電容量を制御して長鎖可溶性ポリスルフィドの形成を効果的に防ぐことを提案しました。この充放電制御方式により、電極は充電プロセス中に不溶性Li2Sの一部をシードとして保持し、Li2S材料を効果的に活性化し、均一に再堆積させることができます。.さらに、この研究では、グルコースで窒化する前に酸化グラフェンの表面をコーティングすることにより、グラフェンのしわ速度と曲げ速度を効果的に増加させ、ポリスルフィドのローディングサイトを増やしました。反応プロセス中、アンモニア水と高温アンモニアガスによる熱処理の方法は、窒素ドーピング量を12.2%に増加させます。この高窒素ドープグラフェン材料は、導電性が高いだけでなく、その表面窒素官能基は、ポリスルフィドの溶解を効果的に低減し、分布するLi2Sの均一性を最適化することができます。この高窒素ドープグラフェン-Li2S複合正極材料を用いて調製されたリチウム硫黄電池は、2000サイクル(1C)後も318mAhg-1(硫黄元素の重量に基づいて457mAhg-1に換算)の容量を維持でき、3000サイクル(2C)のサイクル後も256mAhg-1(硫黄元素の重量に基づいて368mAhg-1)を維持でき、これはこれまでに報告された最長のサイクル寿命である。

本研究では、新たに開発したin-situ走査型電子顕微鏡技術とin-situ透過型電子顕微鏡チップ技術を初めて用いて、硫化リチウム電極の充電過程をリアルタイムに観察し、Li2Sの充放電メカニズムの研究に基づく新しい電圧容量制御法を開発しました。