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            华盛顿州立大年夜 学仲伟虹传授 课题组:空气净化启发 下的蛋白 质纳米过滤器用于高性能 锂硫电池研究
            2018-05-15  来源 :中国聚合物网

              锂硫电池因其较高的理论容量、低廉的原bst818贝斯特官方网站 价格 和优越 的环保性成为十分具有前景 的新型储能器件。但是,在电解液中可溶的硫单质和多硫化物(相当于电解液污染物),和其分散导致的穿梭效应会造成容量的快速衰减、较低的库伦效率 、锂金属腐化 等一系列严重后果 。为了克制 或减轻穿梭效应,很多 研究 注解 ,在硫正极和隔阂 之间参加 一层导电中心 层是个中 一种有效 的办法 。是以 ,设计和制备一种能选择性地并高效地过滤掉 落 多硫化物而仅使锂离子顺利 且快速经过进程 的中心 层具有十分重要 的意义。

              比来 ,华盛顿州立大年夜 学的仲伟虹传授 课题组受启发 于空气净化,经过进程 纳米自组装成功 制备了基于蛋白 质的多孔”纳米过滤器“用于过滤多硫化物并增进 锂离子传输。研究 注解 ,蛋白 质因其具有丰富 的官能团和复杂 的空间构造 ,可以很强地吸附并过滤掉 落 多硫化物。同时,蛋白 质与导电颗粒自组装构成的特别 多孔构造 可以有效 地改进 电极和隔阂 之间的接触从而大年夜 大年夜 着落 锂离子传输阻力。当其用于锂硫电池中,和传统导电中心 层比较 ,蛋白 质“纳米过滤器”可使电池容量、倍率性能 、轮回 稳定 性等均大年夜 大年夜 进步 。与此同时,此项工作也为研究 者供给 了新的思路 来设计和制备可以实现选择性离子传输的新型中心 层。该研究 成果 以“Self-Assembled Protein Nanofilter for Trapping Polysulfides and Promoting Li+ Transport in Lithium?Sulfur Batteries”为题于近日揭橥 在国际顶级期刊The Journal of Physical Chemistry Letters上(影响因子:9.35)。仲伟虹传授 、刘津传授 、王宇博士为合营 通讯 作者,第一作者为博士生傅雪薇

            图1. 蛋白 质纳米过滤器的设计。(a)蛋白 质纳米过滤器过滤多硫化物的示意图;(b)蛋白 质纳米过滤器的重要 性质;(c)蛋白 质纳米过滤器的制备

              虽然以往有很多 导电中心 层相干 工作的报导,但将多硫化物视作“污染物”,并且 借用空气过滤中利用 的概念来设计导电中心 层是首创 。这将为锂硫电池中心 层的研究 和成长 供给 新的设计思路 和要求 。犹如对空气过滤器高过滤效率 、低空气阻力的要求 ,在锂硫电池中,一个空想 的“过滤器“须要 同时具有很强的过滤多硫化物且着落 锂离子传输阻力的才能 。那末,公道的多孔构造 和外面 功能 化是一条有效 门路 。研究 发明 ,蛋白 质可以很强地吸附在导电填料(炭黑)外面 ,并勾引 自组装构成特别 的3D多孔构造 。

            图2. 蛋白 质纳米过滤器的构造 。(a-c)不合 炭黑(CB)/聚合物分散 液示意图:PVDF/CB, gelatin/CB (水溶液),gelatin/CB(醋酸溶液);(d-f)干燥后各纳米复合物的SEM图象:PVDF/CB, gelatin/CB (水溶液),gelatin/CB(醋酸溶液);(g-i)各纳米复合物的构造 示意图:PVDF/CB, gelatin/CB (水溶液),gelatin/CB(醋酸溶液)。

              同时,我们还发明 ,此特别 的多孔构造 只能在特定的溶剂下(醋酸溶液)构成,这是由于 在酸性条件 下,蛋白 质相互 之间感化 力被破坏 ,从而加强 了其与炭黑的相互 感化 力构成优越 的包覆。和传统的导电中心 层比较 ,蛋白 质纳米过滤用具有更高的孔隙率和更大年夜 的孔径,从而增长 了传输锂离子的通道和吸附多硫化物的空间。

            图3. 蛋白 质纳米过滤器对多硫化物的吸附。(a-b)多硫化物分散的演示实验 ;(c-f)份子模仿 注解 蛋白 质的空间构造 和与多硫化物之间的相互 感化 力。

              经过进程 演示实验 证实 ,蛋白 质纳米过滤器可以明显 克制 多硫化物的分散。份子模仿 注解 蛋白 质的特别 官能团(主链上的氧原子和支链上的COO-)与多硫化物有很强的静电吸附感化 ,而其特别 的3D空间构造 构成了一个“份子笼”来吸同意 固定多硫化物。

            图4. (a)0.1 A/g电流密度下的充放电曲线;(b)0.5 A/g电流密度下的充放电曲线;(c)不合 电流密度下蛋白 质纳米过滤器的充放电曲线; (d)0.1 A/g电流密度下的极化压降。

              当蛋白 质纳米过滤器用在锂硫电池中时,在0.1 A/g和0.5 A/g的电流密度下,其容量大年夜 大年夜 增长 同时极化效应明显 着落 。个中 ,初次 放电容量到达 了1318 mAh/g,远远高于没加任何导电中心 层和参加 传统中心 层的电池。在较高的电流密度下,比如 0.8A/g,电池充放电曲线依然腻滑 ,注解 了极其顺利 的锂离子传输和多硫化物转化。

            图5.(a)倍率性能 的比较 ;(b)经过进程 EIS取得的Nyquist图象;(c)0.3 A/g电流密度下测试的轮回 稳定 性;(d-e)轮回 测试前和轮回 测试后纳米过滤器的SEM图象。

              不但如此 ,蛋白 质纳米过滤器还能大年夜 大年夜 进步 电池的倍率性能 和轮回 稳定 性。在0.3 A/g电流密度下,经过 350次轮回 后容量高达689 mAh/g,明显 高于比较 样品。作者经过进程 EIS发明 蛋白 质纳米过滤器的电荷转移电阻明显 低于传统导电中心 层和不加任何中心 层的隔阂 ,这是由于 蛋白 质纳米过滤用具有优越 的多孔构造 ,能有效 地援助 锂离子的传输。

            图6.(a)空气阻力测试示意图;(b)不合 流速下的空气阻力;(c)不合 电流密度下的极化压降;(d-f)隔阂 、传统中心 层和蛋白 质纳米过滤器对离子传输的影响。

              由于 气流和离子束流畅 的类似 性,作者经过进程 空气过滤中常常使用的测试办法 ——空气阻力测试来研究 蛋白 质纳米过滤器和传统中心 层的孔构造 差别 对离子传输的影响。研究 注解 ,在不合 的空气流速下,蛋白 质纳米过滤器的空气阻力均远低于传统中心 层,这也和极化压降、EIS成果 相互 接洽 关系 。蛋白 质纳米过滤器的良好 性能 归功于其特别 的多孔构造 和外面 特点 ,这不但能起到加强 阻隔多硫化物的感化 ,还能有效 改进 硫电极与隔阂 之间的接触从而增进 锂离子的快速传输。当在极大年夜 的来自于电池封装的外界压力下,较软的硫电极颗粒和炭黑颗粒与隔阂 慎密 接触导致梗塞隔阂 孔构造 的后果 。而增长 一层多孔的中心 层,可以有效 地减缓这一负面影响,使得锂离子能顺利 经过进程 。

            原文链接:

            Xuewei Fu, Chunhui Li, Yu Wang, Louis Scudiero, Jin Liu and Wei-Hong Zhong, Self-Assembled Protein Nanofilter for Trapping Polysulfides and Promoting Li+ Transport in Lithium?Sulfur Batteries, J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 2450?2459, DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00836. 

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