鋰硫電池S@pPAN正極用柔性黏結劑研究

2022-04-12 03:02:18李婷婷張陽陳加航閔宇霖王久林

無機材料學報 2022年2期

李婷婷, 張陽, 陳加航, 閔宇霖, 王久林,3

李婷婷1,2, 張陽2, 陳加航2, 閔宇霖1, 王久林2,3

(1. 上海電力大學環境與化學工程學院, 上海 200090; 2. 上海交通大學化學化工學院, 上海 200240; 3. 鄭州大學化學系, 鄭州 450001)

硫化聚丙烯腈(S@pPAN)作為鋰硫電池正極材料實現了固–固轉化反應機制, 沒有多硫離子溶解現象, 但電化學循環過程中出現明顯的體積變化, 其表界面特性對電化學性能具有重要影響。本研究以單壁碳納米管(SWCNT)與羧甲基纖維素鈉(CMC)復配作為S@pPAN正極黏結劑, 調控S@pPAN表界面并緩解充放電過程中的體積變化。在2(1=1672 mA?g–1)電流密度下, 電池循環140圈后容量保持率為84.7%, 在7的大電流密度下仍能維持 1147 mAh?g–1的高比容量。加入SWCNT后復配黏結劑薄膜的極限拉伸強度提升了41倍, 并且復配黏結劑能在循環中維持更加穩定的正極界面, 有效提升了鋰硫電池的循環穩定性。

鋰硫電池; S@pPAN正極; 羧甲基纖維素鈉; 黏結劑; 界面穩定

傳統的鋰離子電池有制備工藝簡單、使用方便等優勢, 但是其能量密度低(一般低于250 Wh?kg–1)、成本高等問題依然突出[1]。鋰硫電池擁有更高的理論比能量密度(2600 Wh?kg–1), 被認為是極具發展潛力的下一代二次可充電電池。而且單質硫具有儲量豐富、成本低、理論比容量達1672 mAh·g–1[2]等優勢。但是傳統的單質硫正極在充放電過程中會產生體積變化大(約80%)[3-4], 極片粉化等問題, 導致電池壽命縮短; 且會生成可溶性的多硫化物, 產生穿梭效應[5-6], 最終導致活性物質利用率低和電池循環穩定性差等一系列問題。

為了減小穿梭效應對電池性能的影響, 研究者們開發了許多硫基復合正極材料, 以提高鋰硫電池性能, 如碳硫復合材料[7-11], 導電聚合物[12-14]及金屬氧化物[15-17]與硫形成的復合材料等。王久林等[18]將單質硫和聚丙烯腈(PAN)的混合物加熱到300 ℃, 反應制得硫化聚丙烯腈復合材料(S@pPAN), 其在電極反應過程中發生固–固轉化, 從根源上解決了多硫化物的遷移擴散問題。之后, 王久林課題組對S@pPAN復合材料進行了多方面的改進工作, 比如提高硫利用率[19](60 ℃, 95.6%), 提高導電性[20](10–4S?cm–1), 延長循環壽命[21](6, 4000圈), 幾乎無自放電現象[22-23]。但是正極體積變化引起的界面問題嚴重影響了電池的循環穩定性。黏結劑是鋰硫電池正極的重要組成部分, 起到維持活性物質和緊密結合導電劑與集流體的重要作用。傳統的油系黏結劑聚偏氟乙烯(PVDF)黏結強度差, 且溶劑-甲基吡咯烷酮(NMP)對人體和環境都有不良影響, 所以本研究試圖開發水性黏結劑替代傳統的油系黏結劑。此外, 不可再生資源迅速減少促使人們采用環保和可持續的生物衍生原材料用于儲能設備。生物衍生黏結劑通常是水溶性的, 相對于聚丙烯酸(PAA)、聚醚酰亞胺(PEI)等合成黏結劑具有安全性高和成本低的優勢。羧甲基纖維素鈉(CMC)是纖維素的線性聚合衍生物, 由不同羧甲基取代水平的-吡喃葡萄糖, 通過-(1→4)苷鍵連接組成[24], 通常在食品工業領域用作增稠劑、分散劑和穩定劑, 也可以作為鋰離子電池硅負極黏結劑, 是一種可降解的生物類水性黏結劑。在電池第1圈循環過程中, 正極黏結劑與電解液反應, 在活性物質表面形成一層正極電解液界面(CEI)膜, 該膜對電極具有良好的保護性, 但是CMC的柔韌性和彈性較差, 電極材料在充放電過程中發生明顯體積變化, 黏結劑不能有效應對這種體積變化, 最終導致CEI膜破裂。修補裂痕需要黏結劑參與, 隨著電池循環持續進行, 黏結劑含量逐漸降低, 黏結效果大打折扣, 電極表面出現微裂紋, 并且活性物質和導電劑從集流體上脫落, 電極片的結構完整性難以維持, 導致電池容量快速衰減, 循環壽命縮短[25-26]。鑒于CMC黏結劑韌性較差、易斷裂, 將CMC與特殊功能性材料進行復配可以提高其黏結效果并增加柔韌性, 以維持電極結構和正極/電解液界面穩定, 延長電池循環壽命。常用丁苯橡膠(SBR)與CMC復配作為電池黏結劑, SBR的彈性可以起到緩沖電極體積變化的作用, 這種復配黏結劑通常用于鋰離子電池硅負極材料改性。近幾年, 將SBR/CMC用作鋰硫電池正極黏結劑也時有報道。王魏文等[27]研究發現以SBR/CMC用作黏結劑, 循環后電極表面仍有明顯裂痕, 且由于硫的團聚以及硫與導電骨架接觸效率較低, 因此硫的利用率和可逆比容量不佳。本研究進一步探索適用于鋰硫電池的CMC復配黏結劑體系, 并選用S@pPAN作為硫正極材料, 以期獲得黏結性、柔韌性以及分散性良好的黏結劑, 提高S@pPAN電極的循環穩定性, 實現長循環壽命的Li/S@pPAN電池。

單壁碳納米管(SWCNT)是一種通用添加劑, 具有密度小、質量輕、導電性好等優勢。本研究通過加入SWCNT對羧甲基纖維素鈉進行修飾, 增強黏結劑的韌性和極限拉伸強度。將該復合黏結劑(記為SCMC)應用于S@pPAN作為正極材料的鋰硫電池中, 可以顯著提高電池的循環穩定性。

1 實驗方法

1.1 材料合成

按質量比1 : 8稱取一定量的聚丙烯腈(w= 1.5×105, Aldrich)和單質硫, 加入適量無水乙醇作為分散劑, 在密封瑪瑙球磨罐中均勻混合, 球磨6 h后放入60 ℃鼓風烘箱干燥。烘干后, 將塊狀混合物充分研磨。然后稱取一定量的混合粉末置于石英舟中, 在管式爐中氮氣保護氣氛下升溫至300 ℃, 保溫6.5 h, 得到硫質量分數為41%的S@pPAN黑色粉末。

稱取20 mg SWCNT置于樣品瓶中, 再加入0.5 mg·mL–1十二烷基苯磺酸鈉(SDBS), 超聲處理10 h后, 將CMC(w=7×105, Aldrich)添加到SWCNT懸浮液中(CMC和SWCNT的質量比為2 : 1)攪拌2 h, 得到SCMC, 其中固含量質量分數為1%。另外, 作為對照實驗中使用的CMC, 與上文SCMC合成中使用的CMC完全一樣, 未經過其他處理。將CMC溶解在去離子水中, CMC質量分數為1%, 樣品標記為CMCP。

1.2 電極制備及電池組裝

將S@pPAN、Super P和黏結漿料(SCMC或CMCP)按照質量比8 : 1 : 1稱量, 置于聚四氟乙烯罐中球磨2 h, 其中黏結漿料質量按固相組分質量計算。用涂膜器把漿料涂在涂炭鋁箔上, 室溫干燥后, 用切片機裁為12 mm的圓片, 放入70 ℃鼓風烘箱中干燥6 h, 經預烘干后, 用壓片機在12 MPa的壓力下對極片進行處理, 降低極片厚度, 提高極片的壓實密度。繼續在70 ℃真空干燥6 h。待真空烘箱溫度降到室溫后, 將極片迅速轉移到手套箱中稱量, 待用。本研究中正極的活性物質單位面積載量約為0.6 mg?cm–2?；赟CMC和CMCP制成的電極分別表示為S@pPAN/SCMC和S@pPAN/CMC。

1.3 電化學性能測試

按照正極殼、正極片、隔膜、鋰片的順序組裝成2016型扣式電池。電解液為1 mol·L–1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC) (體積比為1 : 1)溶液+質量分數10%氟代碳酸乙烯酯(10% FEC), 隔膜為聚乙烯(PE)隔膜。

使用新威電池測試系統對組裝的電池進行恒流充放電測試。電池循環前靜置4 h, 使電解液充分浸潤隔膜和電極。充放電截止電壓范圍為1.0～3.0 V, 循環過程中保持25 ℃恒定溫度。在2電流密度下進行長循環測試, 并測試電池在0.5、1、3、5、7電流密度下的倍率性能。通過CHI 760E電化學工作站進行循環伏安測試(CV), 掃描速度為1 mV·s–1。比容量基于活性組分硫計算。

1.4 物理性能表征

采用日本島津Kratos公司AXIS UltraDLD型X射線光電子能譜分析儀(XPS)對電池循環后的鋰片進行表面元素分析, 在手套箱中完成制樣。采用德國布魯克公司D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)測試S@pPAN材料的XRD譜圖。

用動態熱機械分析儀(DMA Q850)測試黏結劑的應力–應變曲線。樣品制備過程為: 將CMCP和SCMC滴在平整潔凈的聚四氟乙烯板表面, 放入 55 ℃鼓風烘箱中干燥8 h成膜, 切成條形后進行測試, 分別記為CMC膜和SCMC膜。

循環后的極片在手套箱中用適量的DMC溶劑清洗三次, 去除表面殘余的電解液, 自然干燥。采用日本Hitachi公司的S-2150型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品形貌。

2 結果與討論

2.1 物理性能表征

利用XRD研究S@pPAN材料中硫的存在形式。在復合材料中, 嵌入的硫可能是尺寸小于10 nm的微小顆粒, 甚至在分子水平上, 形成非晶態復合材料[28]。圖1中2=25.2°處的特征峰對應于石墨化晶面(002), 且復合材料中不存在硫的衍射峰, 這表明硫在S@pPAN中呈非晶態。

對SCMC膜和CMC膜分別進行拉伸強度測試, 其應力–應變曲線如圖2所示。SWCNT對聚合物復合材料的力學性能增強效果主要依賴于SWCNT與聚合物界面間較高的應力傳遞效率。SWCNT與聚合物材料之間形成化學鍵并改善復合材料的界面黏結力, 從而增強復合材料的應力傳遞能力, 本研究中 SCMC復合膜的極限拉伸強度提升了41倍。SWCNT在提高復合材料韌性方面也有其自身優勢。應力–應變曲線的積分面積對應材料斷裂韌性, 圖2中SCMC膜的積分面積顯著增大, 說明其抗斷裂韌性明顯增強。這是由于SWCNT的橋聯機制, 在材料受到外力變形斷裂過程中, 復合材料中的SWCNT可以有效地連接微裂紋并延緩裂紋擴展, 起到了增韌作用[29]。

圖1 S@pPAN的XRD譜圖

圖2 SCMC膜和CMC膜的應力–應變曲線, 插圖為CMC膜相應的放大圖

2.2 電化學性能

在導電梯形結構中接枝的短鏈硫的S@pPAN, 直接實現了固–固轉化反應機制, 避免了多硫化物的溶解和穿梭。為驗證S@pPAN/SCMC電極在電化學反應過程中沒有多硫化物穿梭, 本研究對循環50圈后的S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池鋰負極進行XPS分析, 如圖4所見, XPS譜圖上顯示出氧、氟、碳、磷等元素特征峰, 其中氟和磷來源于電解液中殘留的鋰鹽(LiPF6), 碳、氧源自有機溶劑的部分殘留。在鋰負極上未檢測出硫相關的特征峰, 表明電池在充放電過程中沒有出現多硫化物的溶解穿梭。

圖3 在2C倍率下S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li和S@pPAN/ CMC|LiPF6|Li的電池循環性能曲線

表1 不同黏結劑對硫正極電化學性能的影響

圖4 在1C循環50圈后S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池鋰負極的XPS總譜, 插圖為該電池在1C電流密度下50圈的循環性能曲線

圖5 在2C倍率下(a)S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li和(b)S@pPAN/ CMC|LiPF6|Li的充放電曲線

圖6為兩組電池分別以0.5、1、3、5、7、0.5的電流密度進行倍率性能測試的結果。小電流密度充放電時兩組電極的放電比容量沒有明顯差別, 但隨著電流密度增大, S@pPAN/CMC|LiPF6|Li電池的可逆比容量越來越低, 到7時僅有971.8 mAh?g–1, 而此時S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池仍能保持1147 mAh?g–1的高比容量, 當電流密度回到0.5后兩組電池的比容量都基本恢復。倍率性能測試結果顯示大電流快速充放電時S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池仍有較高的比容量, 這是因為加入SWCNT使得電極內部的體相電子電導率提高, 電極片形成導電網絡, 可以有效分散電流密度, 并且循環過程中硫與SWCNT形成的導電骨架充分接觸, 電極表面的硫轉化動力學明顯提升, 硫的利用率更高。

為探究加入SWCNT對硫正極性能的影響, 分別對兩組電池進行循環伏安測試, 結果如圖7(a, b)所示。循環伏安曲線顯示, 在前三次循環過程中, 兩組電池的氧化還原峰都沒有明顯偏移, 但是S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池的峰型更加尖銳且峰值電流(p)更大, 說明該電池的電極反應動力學更好。這是由于加入SWCNT增加了極片導電性, 有效提升了電池的電化學性能。

圖6 S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li和S@pPAN/CMC|LiPF6|Li電池的倍率性能圖

為了進一步分析S@pPAN/SCMC電極的電化學性能的機理, 本研究利用SEM觀察循環100圈后兩組正極極片的表面形貌。從圖8(a, c)中可見, 兩組電池中S@pPAN/CMC正極表面有大量裂痕, 甚至出現了肉眼可見的粉化現象, 而S@pPAN/SCMC 正極的結構仍然保持完整, 表面沒有出現明顯的裂痕。圖8(b, d)中黃色箭頭處可以看到球形的S@pPAN。值得注意的是, 在圖8(b)中可見SWCNT能夠有效覆蓋活性物質顆粒的表面, 為整個電極構建了高速的電子傳導通道。并且電極可以在電化學循環過程中保持結構完整, 證實SWCNT能夠緩解充放電過程中的體積變化, 提高電極的機械穩定性。

圖7 (a)S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li和(b)S@pPAN/CMC|LiPF6|Li電池的循環伏安曲線

圖8 100圈循環后(a, b)S@pPAN/SCMC和(c, d)S@pPAN/CMC電極的表面形貌SEM照片

2.3 失效分析

為了驗證電池的失效機理, 本研究用循環后的正極重新組裝電池, 更換負極、隔膜和電解液。值得注意的是, S@pPAN/CMC|LiPF6|Li電池循環118圈后,其正極結構坍塌甚至從集流體上脫落, 這一現象可以通過SEM進一步確認。結構坍塌的S@pPAN/CMC正極片無法搭配新的鋰片和電解液裝配成紐扣電池。首次組裝的S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池在1電流密度下循環105圈(比容量為1286.4 mAh?g–1)后容量突然下降, 結果如圖9所示。循環122圈后更換電解液和鋰片, 重新組裝扣式電池, 其中電解液種類和添加量與首次組裝電池保持一致。重新組裝的S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池在同樣的測試條件下繼續進行充放電測試。測試結果表明, 重新組裝后的電池, 循環18圈時比容量可以達到1282.6 mAh?g–1, 比容量恢復到91.3%(以第二圈放電比容量1405.1 mAh?g–1為基準)。由此證實電池容量損失主要歸因于負極穩定性不佳, 枝晶和界面反應導致電解液消耗和內部阻抗增大[37]。

3 結論

本研究設計了一種新型三維網絡黏合劑, 通過添加SWCNT, 黏結劑韌性明顯增加, 極限拉伸強度增加至未改性樣品的41倍, 可以實現S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池在2電流密度下穩定循環140圈, 電池比容量保持率為84.7%, 在7大電流密度下仍能維持1147 mAh?g–1的高比容量, 并且循環后電極無裂紋, 說明CMC與SWCNT復配, 在提高黏結效果的同時, 可以加快充放電過程中的反應動力學, 并有效緩解S@pPAN正極體積變化。本研究的黏結劑改性方法簡單環保, 不僅可以應用于高載量和高壓實密度的鋰硫電池正極, 還可以用于其它適用水性黏結劑的二次電池體系。

圖9 1C倍率下S@pPAN/SCMC|LiPF6|Li電池在重新組裝前后的循環性能

[1] KUMAR R, LIU J, HWANG J Y,. Recent research trends in Li-S batteries., 2018, 6(25): 11582–11605.

[2] NOORDEN R V. The rechargeable revolution: a better battery., 2014, 507: 26–28.

[3] ZHANG Q, WAN H L, LIU G Z,. Rational design of multi-channel continuous electronic/ionic conductive networks for room temperature vanadium tetrasulfide-based all-solid-state lithium-sulfur batteries., 2019, 57: 771–782.

[4] SEH Z W, SUN Y M, ZHANG Q F,. Designing high-energy lithium-sulfur batteries., 2016, 45(20): 5605–5634.

[5] ZHANG L, LING M, FENG J,. Effective electrostatic confinement of polysulfides in lithium/sulfur batteries by a functional binder., 2017, 40: 559–565.

[6] CHEN W, LEI T Y, QIAN T,A new hydrophilic binder enabling strongly anchoring polysulfides for high-performance sulfur electrodes in lithium-sulfur battery., 2018, 8(12): 1702889.

[7] ZHU Q Z, QIAN Z, AN Y B,Ultra-microporous carbons encapsulate small sulfur molecules for high performance lithium-sulfur battery., 2017, 33: 402–409.

[8] FANG R P, ZHAO S Y, PEI S F,Toward more reliable lithium-sulfur batteries: an all-graphene cathode structure., 2016, 10(9): 8676–8682.

[9] PARK S K, LEE J K, KANG Y C. Yolk-shell structured assembly of bamboo-like nitrogen-doped carbon nanotubes embedded with Co nanocrystals and their application as cathode material for Li-S batteries., 2018, 28(18): 1705264.

[10] SHE Z W, LI W Y, CHA J,. Sulphur-TiO2yolk-shell nanoarchitecture with internal void space for long-cycle lithium-sulphur batteries., 2013, 4: 1331.

[11] YANG Y S, YAN S, CAO Z X,. Preparation of hierarchical porous carbon/sulfur composite based on lotus-leaves and its property for Li-S batteries., 2016, 31(2): 135–140.

[12] WANG J, CHEN J, KONSTANTINOV K,Sulphur-polypyrrole composite positive electrode materials for rechargeable lithium batteries., 2006, 51(22): 4634–4638.

[13] YANG H J, CHEN J H, YANG J,. Dense and high loading sulfurized pyrolyzed poly (acrylonitrile)(S@pPAN) cathode for rechargeable lithium batteries., 2020, 31: 187–194.

[14] CHAI E Y, PAN J A, YUAN G L,. Preparation and electrochemical property of polyaniline coated opal shale/sulfur composite., 2017, 32(11): 1165–1170.

[15] LU L L, ZHANG Y, PAO Z,Lithiophilic Cu-Ni core-shell nanowire network as a stable host for improving lithium anode performance., 2017, 9: 31–38.

[16] FAN Q, LIU W, WENG Z,Ternary hybrid material for high- performance lithium-sulfur battery., 2015, 137(40): 12946–12953.

[17] MA G Q, WEN Z Y, WANG Q S,. Effects of CeO2nano-crystal on electrochemical properties of lithium/sulfur batteries., 2015, 30(9): 913–918.

[18] WANG J L, YANG J, XIE J Y,. A novel conductive polymer- sulfur composite cathode material for rechargeable lithium batt-eries., 2002, 14: 963–965.

[19] YANG H J, GUO C, CHEN J H,An intrinsic flame-retardant organic electrolyte for safe lithium sulfur batteries., 2019, 58(3): 791–795.

[20] YIN L C, WANG J L, LIN F J,Polyacrylonitrile/graphene composite as a precursor to a sulfur-based cathode material for high-rate rechargeable Li-S batteries., 2012, 5(5): 6966–6972.

[21] YANG H J, NAVEED A, LI Q Y,. Lithium sulfur batteries with compatible electrolyte both for stable cathode and dendrite- free anode.,2018, 15: 299–307.

[22] XU Z X, WANG J L, YANG J,. Enhanced performance of a lithium-sulfur battery using a carbonate-based electrolyte., 2016, 55: 10372–10375.

[23] WANG J L, HE Y S, YANG J. Sulfur-based composite cathode materials for high-energy rechargeable lithium batteries, 2015, 27(3): 569–575.

[24] LI J, LEWIS R B, DAHN J R. Sodium carboxymethyl cellulose-a potential binder for Si negative.,2007, 10(2): A17–A20

[25] KARKAR Z, GUYOMARD D, ROUE L,. A comparative study of polyacrylic acid (PAA) and carboxymethyl cellulose (CMC) binders for Si-based electrodes., 2017, 258: 453–466.

[26] YANG H J, CHEN J H, WANG J L,. Prospect of sulfurized pyrolyzed poly(acrylonitrile) (S@pPAN) cathode materials for rechargeable lithium batteries., 2020, 59(19): 7306–7318.

[27] WANG W W, YUE X Y, MENG J K,Comparative study of water-based LA133 and CMC/SBR binders for sulfur cathode in advanced lithium-sulfur batteries., 2018, 123(1): 250–257.

[28] WANG J L, YANG J, WAN C R,. Sulfur composite cathode materials for rechargeable lithium batteries., 2003, 13(6): 487–492.

[29] 高穎, 潘莉. 碳納米管/聚合物基復合材料研究進展. 材料導報Ａ: 綜述篇, 2014, 28(1): 59–78.

[30] LI G R, LING M, YE Y F,. Acacia Senegal-inspired bifunctional binder for longevity of lithium-sulfur batteries., 2015, 5(21): 1500878.

[31] LI G C, LI G R, YE S H,. A polyaniline-coated sulfur/carbon composite with an enhanced high-rate capability as a cathode material for lithium/sulfur batteries., 2012, 2(10): 1238–1245.

[32] HONG X H, JIN J, WEN Z Y,. On the dispersion of lithium-sulfur battery cathode materials effected by electrostatic and stereo-chemical factors of binders., 2012, 324: 455–461.

[33] RAO M M, SONG X Y, LIAO H G,. Carbon nanofiber-sulfur composite cathode materials with different binders for secondary Li/S cells., 2012, 65: 228–233.

[34] WANG J L, YAO Z D, MONROE,. Carbonyl--cyclodextrin as a novel binder for sulfur composite cathodes in rechargeable lithium batteries., 2013, 23(9): 1194–1201.

[35] LI Q Y, YANG H J, XIE L S,. Guar gum as a novel binder for sulfur composite cathodes in rechargeable lithium batteries., 52(92): 13479–13482.

[36] YIN L C, WANG J L, YU X L,. Dual-mode sulfur-based cathode materials for rechargeable Li-S batteries., 2012, 48(63): 7868–7870.

[37] CHEN J H, ZHANG H M, YANG H J,. Towards practical Li-S battery with dense and flexible electrode containing lean electrolyte., 2020, 27: 307–315.

Flexible Binder for S@pPAN Cathode of Lithium Sulfur Battery

LI Tingting1,2, ZHANG Yang2, CHEN Jiahang2, MIN Yulin1, WANG Jiulin2,3

(1. College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Department of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Sulfurized pyrolyzed poly(acrylonitrile) (S@pPAN) composite as cathode material of Li-S battery realizes a solid-solid conversion reaction mechanism without dissolution of polysulfides. However, its surface and interface characteristics influence the electrochemical performance significantly, and there are also obvious volume changes during electrochemical cycling. In this study, single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and sodium carboxymethyl cellulose (CMC) were used as binder for S@pPAN cathode to regulate the surface of S@pPAN and alleviate volume changes during charging and discharging. At a current density of 2, capacity retention rate of the batteries after 140 cycles was 84.7%, and a high specific capacity of 1147 mAh?g–1can still be maintained at a high current density of 7. The ultimate tensile strength for the film of the composite binder increases by 41 times after adding SWCNT, and the composite binder guarantees a more stable electrode interface during operation, thereby effectively improves the cycle stability of the as sembled lithium-sulfur batteries.

lithium-sulfur battery; S@pPAN cathode; sodium carboxymethyl cellulose; binder; stable interface

1000-324X(2022)02-0182-07

10.15541/jim20210303

TM911

2021-05-12;

2021-08-17;

2021-09-27

國家自然科學基金(U1705255); 上海市優秀學術帶頭人計劃(20XD1401900); 廣東省重點研發計劃(2019B090908001)

National Natural Science Foundation of China (U1705255); Program of Shanghai Academic Research Leader (20XD1401900); Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2019B090908001)

李婷婷(1994–), 女, 碩士研究生. E-mail: ltt190829@163.com

LI Tingting(1994–), female, Master candidate. E-mail: ltt190829@163.com

王久林, 研究員. E-mail: wangjiulin@sjtu.edu.cn

WANG Jiulin, professor. E-mail: wangjiulin@sjtu.edu.cn