Janus隔膜的合成及应用开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

随着能源与环境问题的日益凸显,高效清洁的电化学能源正逐步取代部分传统化石能源。在众多的电化学储能器件中,锂硫电池采用金属锂为负极、单质硫为正极,具有高达2600Wh/kg的理论能量密度,在电动汽车和工业储能有着巨大的应用。然而受限于硫的本征电子传输惰性,同时还因为锂硫电池特有的“穿梭效应”,其实际能量密度远低于理论值,循环寿命也受到严重制约。隔膜是锂硫电池中的共性关键材料,它是电极的物理屏障,也是离子迁移的电解质库。[1] 隔膜性能的好坏直接影响电池的性能,可采用隔膜改性的方法来阻止聚硫化物穿过隔膜,与金属锂接触反应,从而抑制穿梭效应,改善Li-S电池的性能。[2]

传统聚烯烃隔膜热稳定性差,对电解液的润湿性差,对可溶性多硫化物(LiPSs)阻隔不充分。理想的隔膜材料应具有高的化学与电化学稳定性、高的热稳定性,优异的机械性能、良好的隔离特性及高的锂离子电导率。在锂硫电池中,隔膜还应能对电池运行过程中产生的多硫化物具有阻隔特性。目前,主流的商业化隔膜为具有微米级尺寸孔径的聚烯烃隔膜,如聚乙烯(PE)隔膜,聚丙烯(PP)隔膜及聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)复合膜。[3]聚烯烃隔膜有着良好的化学稳定性、较高的孔隙率及较低的成本。然而,聚烯烃隔膜对电解液的润湿程度较差,这在一定程度上影响电池运行中的离子传导过程。同时,聚烯烃隔膜的热稳定性较低,在较高温度使用时易导致电池的短路。此外,常用的PP及PE隔膜对锂硫电池工作中形成的可溶LiPSs的扩散阻隔作用有限,难以实现电池的高效运行。

在锂硫电池中,当可溶LiPSs从阴极扩散出去时,它们不易于被隔膜截获,通过与锂的自发副反应,在阳极处不可逆地被消耗。[4]当可溶LiPSs穿梭返回阴极/隔膜界面时,它们在阴极表面优先被还原,形成致密、惰性和不溶层,钝化阴极的导电表面,防止可溶LiPSs的进一步还原。经过长时间的循环后,钝化层逐渐演变为致密和较厚的整体,导致性能退化。显然,常规聚合物隔膜无法束缚可溶LiPSs,因为它是电绝缘的。

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