高性能準固体室温ナトリウム硫黄電池の簡単な説明

従来のナトリウム硫黄電池（動作温度300〜350℃）と比較して、室温のナトリウム硫黄電池は、高エネルギー密度（1274Whkg-1）や優れた安全性などの大きな利点があります。しかし、現在の室温ナトリウム硫黄電池は、ポリサルファイドシャトル効果による深刻な自己放電、短いサイクル寿命、ナトリウム金属アノードによるデンドライトの成長など、依然として多くの問題に直面しています。従来硫黄と多孔質炭素材料を組み合わせた物理的硫黄固定法では、シャトル効果を十分に抑制できません。したがって、硫黄固定効果を高めるために硫黄-炭素複合材料に化学結合を導入することは、高性能硫黄電極の開発にとって合理的なアイデアです。一方、有機電解液の代わりに高分子電解液を使用すると、バッテリーの発火や液漏れによる安全上の問題を大幅に減らすことができます。しかし、高分子電解質は一般に導電率が低く、電極/電解質界面の欠陥が高く、ナトリウムを制限し、硫黄電池への適用を制限します。

これを踏まえ、最近では、シドニー科学技術大学の王国秀教授の研究グループ、清華大学深セン大学院の李宝華教授の研究グループ、ミシェル・アルマン教授の研究グループがスペインのCICEnergiguneInstituteは、有機合成による高性能ポリマー硫黄カソード材料とゲルの開発に協力しました。高分子電解質材料は、室温のナトリウム硫黄電池に適用され、優れたサイクル性能と安全性を示します。メカニズム分析を通じて、ポリマー硫黄電極は化学結合を介して硫黄を効果的に固定し、シャトル効果を阻害できることがわかりました。同時に、高導電率ゲルポリマー電解質は、ポリサルファイドの拡散を大幅に抑制するだけでなく、サイクルで安定したナトリウムを形成するのにも役立ちます。金属アノード/ポリマー電解質界面。この記事は、国際的なトップ化学ジャーナルAngew.Chem.Int.Edに掲載されました。 （インパクトファクター：12.102）。

図1。準固体ナトリウム硫黄電池の調製の概略図まず、185°Cで溶融硫黄にペンタエリスリトールテトラアクリレート（PETEA）モノマーを添加してポリマー硫黄材料を調製し、次に多孔質炭素マトリックスと配合して、ポリマー硫黄@炭素カソード材料。続いて、PETEAモノマーとトリス（2-アクリロイルオキシエチル）イソシアヌレート（THEICTA）モノマーを有機電解質に溶解し、UV照射電解質膜下のガラス繊維膜でその場で柔軟なゲル重合を調製しました。最後に、準固体の室温ナトリウム硫黄電池を、複合ポリマー硫黄電極、ゲルポリマー電解質、およびナトリウム金属アノードで組み立てた。

図2。ポリマー硫黄電極の特性評価（a）1H-NMRおよび（b）S2pXPSスペクトル。 （c）ポリマー硫黄およびポリマー硫黄@炭素のXRDスペクトル。 （d）ナトリウム/電解質/硫黄@炭素およびナトリウム/電解質/ポリマー硫黄@ 0.1 mV / sでの炭素電池のCV曲線。

図3。 （PETEA-THEICTA）ベースのゲルポリマー電解質の特性評価（a）ゲル形成前後の赤外線スペクトル変化。 （b）導電率-温度変化曲線。ゲルポリマー電解質の室温伝導率は3.85×10-3S / cmです。 （c）0.1 mA / cm2でのナトリウム/ゲルポリマー電解質/ナトリウム対称電池の定電流循環曲線。 （d）電解質およびゲルポリマー電解質におけるポリサルファイドの形成/拡散の視覚的観察。 （e）ポリサルファイドNa2S6とPETEAおよびTHEICTAの間の結合エネルギー。

図4。準固体ナトリウム硫黄電池の電気化学的性能：（a）異なる電流での充電および放電曲線および（b）レート性能。 （c）0.1Cでのバッテリーサイクル性能。 100サイクル後も736mAh / gに達する可能性があります。 （d）ナトリウム/電解質/硫黄@炭素および（e）ナトリウム/ゲルポリマー電解質/ポリマー硫黄@炭素電池0.1℃の100サイクル後のナトリウム金属負極の形態。ゲルポリマー電解質の使用は、多硫化物を大幅に抑制します。沈着とデンドライトナトリウムの成長; （f）報告されているポリマー室温ナトリウム硫黄電池との性能比較。

概要：

１）新規ポリマー硫黄電極および官能化ゲルポリマー電解質材料は、星型架橋モノマーを使用することによって首尾よく調製された。

2）準固体室温ナトリウム硫黄電池では、高分子硫黄電極が化学結合により強力な硫黄固定を実現し、導電性と安全性の高いゲル高分子電解質が多硫化物の拡散を抑制し、金属ナトリウムを安定化させます。負電極/電解質界面;この二重最適化により、室温のナトリウム硫黄電池は、優れた可逆容量とサイクル性能を発揮できます。

この作業により、低コストで高性能な室温ナトリウム硫黄電池の開発に新たな道が開かれました。

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