基于不同硫链长度和硫含量的有机聚硫聚合物构筑高稳定锂硫电池金属锂负极

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由于金属锂具有低氧化还原电位(-3.040V,相对于标准氢电极)和高理论比容量(3860 mAh g-1)的优势,被认为是一种非常有前途的负极材料。但当用作锂硫电池的负极时,其在循环过程中所存在的枝晶生长问题和锂腐蚀问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。本文设计了一系列具有不同硫链长度和硫含量的有机聚硫化合物,利用电解液添加剂和人工构筑固态电解质界面膜(SEI膜)的方法在金属锂负极表面构筑稳定的SEI膜,并探究了有机聚硫化合物中硫链长度和硫含量的不同对SEI膜稳定性的影响。具体研究内容如下:(1)利用双-3-(三乙氧基硅)丙基-二硫化物(Si-O-2S)和双-3-(三乙氧基硅)丙基-四硫化物(Si-O-4S)这两种具有不同硫链长度的有机聚硫化合物作为电解液添加剂在锂负极表面原位构筑了一层SEI膜,研究发现具有长硫链的有机聚硫化合物(Si-O-4S)作为电解液添加剂相比于短硫链的有机聚硫化合物(Si-O-2S)更能构筑稳定的SEI膜,通过一系列电化学性能及表征测试发现,Si-O-4S作为电解液添加剂可以利用Si-O键的桥连作用接枝在锂金属表面,当在电化学循环下,转化为有机-无机杂化SEI膜,进而保护锂负极。有机多硫化物在无机相中起“增塑剂”作用,使SEI膜更加灵活和稳定。进而提升锂硫电池的电化学性能。(2)将不同硫链的硫化物接入氨基封端的聚二甲基硅氧烷(H2N-PDMS-NH2)中,设计制备了三种不同硫链长度的有机聚硫化合物,然后分别将其涂覆在锂金属表面,构筑一层人工SEI膜,研究进一步证实了具有长硫链的有机聚硫化合物(DS-PDMS)构筑的人工SEI膜相比于短硫链的有机聚硫化合物具有更出色的循环稳定性,通过一系列电化学性能及表征测试发现,DS-PDMS可以促进锂金属负极生成稳定的有机-无机杂化SEI膜,该薄膜包含多种成分,如有机聚硫化物、无机LixSiOy、LixSiSy等。由于这种稳定的SEI膜,可以实现锂的均匀沉积和锂硫电池的稳定循环。(3)通过不同硫含量的聚硫代磷酸锂(LPSP)和氯封端的聚二甲基硅氧烷(Cl-PDMS-Cl)原位交联在锂负极表面构筑一层人工SEI膜,研究发现,当用硫含量为9.6%的PDMS-LPSP-5修饰锂负极时,锂负极表面的SEI膜性能最为优异,Li-Li对称电池在电流密度为1mA cm-2、面积比容量为1 mAh cm-2条件下的循环寿命达到400小时,锂硫电池在0.5C下,200次循环后放电比容量为785.8 mAh g-1,容量保留率为85%,库伦效率(CE)约为99%。
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