物理化学学报 >> 2019, Vol. 35 >> Issue (12): 1382-1390.doi: 10.3866/PKU.WHXB201903060
Rahim Shah1,2,Naveed Alam1,2,Amir A.Razzaq1,2,杨成1,2,陈宇杰1,2,胡加鹏1,2,赵晓辉1,2,*(),彭扬1,2,邓昭1,2,*(
)
收稿日期:
2019-03-26
录用日期:
2019-05-13
发布日期:
2019-05-20
通讯作者:
赵晓辉,邓昭
E-mail:zhaoxh@suda.edu.cn;zdeng@suda.edu.cn
基金资助:
Shah Rahim1,2,Alam Naveed1,2,A. Razzaq Amir1,2,Cheng YANG1,2,Yujie CHEN1,2,Jiapeng HU1,2,Xiaohui ZHAO1,2,*(),Yang PENG1,2,Zhao DENG1,2,*(
)
Received:
2019-03-26
Accepted:
2019-05-13
Published:
2019-05-20
Contact:
Xiaohui ZHAO,Zhao DENG
E-mail:zhaoxh@suda.edu.cn;zdeng@suda.edu.cn
Supported by:
摘要:
本文通过不同形貌的石墨材料,研究了聚丙烯腈-丁二烯(NBR)作为锂离子电池粘结剂的电化学性能,并与商业化粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)进行了对比。由于NBR无定形的晶体结构和连续性的特点,使其能够更好的粘结在活性材料表面,在球型和片状石墨表面都能形成均一的具有抑制副反应和提高锂离子传输能力的保护层。实验证明,片层状石墨在以PVDF作粘结剂时,电化学性能较差。然而,以NBR作为粘结剂时,球型和片状的石墨材料在库伦效率、循环稳定性和传输动力学上都有明显的提升。此项研究证实了粘结剂和活性材料的一致性对于提高锂离子电池电化学性能的重要性。
MSC2000:
Rahim Shah,Naveed Alam,Amir A.Razzaq,杨成,陈宇杰,胡加鹏,赵晓辉,彭扬,邓昭. 粘结剂对形貌各异的石墨负极电化学性能的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1382-1390.
Shah Rahim,Alam Naveed,A. Razzaq Amir,Cheng YANG,Yujie CHEN,Jiapeng HU,Xiaohui ZHAO,Yang PENG,Zhao DENG. Effect of Binder Conformity on the Electrochemical Behavior of Graphite Anodes with Different Particle Shapes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(12): 1382-1390.
Table 1
C.E analysis of the initial charge-discharge cycle of S-graphite-PVDF, S-graphite-NBR, F-graphite-PVDF, and F-graphite-NBR electrodes."
Electrode | S-graphite-PVDF | S-graphite-NBR | F-graphite-PVDF | F-graphite-NBR |
First-cycle C.E | 85.3% | 87.0% | 82.6% | 85.5% |
Reversible C.E | 95.6% | 99.2% | 98.5% | 99.5% |
SEI contribution | 10.3% | 12.2% | 15.9% | 14.0% |
Fig 6
The comparison in cycle performances of (a, c) S-graphite-PVDF, S-graphite-NBR and (b, d) F-graphite-PVDF, F-graphite-NBR electrodes at 0.2C and 1C, respectively. (e) Comparison of the electrochemical performance to literature values for graphite electrodes with different binders. Nyquist plots of all graphite electrodes using the PVDF or NBR binder. (f) Fresh electrode, (g) after first, and (h) after 100 cycles."
1 | (a) Armand, M.; Tarascon, J. M. Nature 2008, 451, 652. doi: 10.1038/451652a |
(b) Sun, Y.; Liu, N.; Cui, Y. Nat. Energy 2016, 1, 16071. doi: 10.1038/nenergy.2016.71 | |
2 | (a) Wang, Y. D.; Wang, J.; Mu, Q. Y.; Li, Y. W.; Qi, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 14.[王雅丹,王剑,牟其勇,李永伟,其鲁,物理化学学报, 2007, 23, 14.] doi: 10.3866/PKU.WHXB2007Supp04 |
(b) Kang, B.; Ceder, G. Nature 2009, 458, 190. doi: 10.1038/nature07853 | |
(c) Scrosati, B.; Garche, J. J. Power Sources 2010, 195, 2419. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.11.048 | |
(d) Zhou, G.; Li, F.; Cheng, H. M. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1307. doi: 10.1039/C3EE43182G | |
3 | (a) Li, F.; Xu, X. Z.; Song, H.; Xiong, J.; Wu, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 2205.[李芬,徐献芝,宋辉,熊晋,吴飞,物理化学学报, 2009, 25, 2205.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20091119 |
(b) Yoo, M.; Frank, C. W.; Mori, S.; Yamaguchi, S. Chem. Mater. 2004, 16, 1945. doi: 10.1021/cm0304593 | |
(c) Rago, N. D.; Bareño, J.; Li, J.; Du, Z.; Wood Ⅲ, D. L.; Steele, L. A.; Lamb, J.; Spangler, S.; Grosso, C.; Fenton, K.; Bloom, I. 2018, 385, 148. J. Power Sources 2018, 385, 148. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.009 | |
4 |
Zhang S. S. ; Jow T. R. J. Power Sources 2002, 109, 422.
doi: 10.1016/S0378-7753(02)00107-6 |
5 |
Ma Y. ; Ma J. ; Chai J. ; Liu Z. ; Ding G. ; Xu G. ; Liu H. ; Chen B. ; Zhou X. ; Cui G. ; et al ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 41462.
doi: 10.1021/acsami.7b11342 |
6 | (a) Zhang, S. S.; Xu, K.; Jow, T. R. J. Power Sources 2004, 138, 226. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.05.056 |
(b) Patnaik, S. G.; Vedarajan, R.; Matsumi, N. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 17909. doi: 10.1039/C7TA03843G | |
7 |
Komaba S. ; Shimomura K. ; Yabuuchi N. ; Ozeki T. ; Yui H. ; Komaba S. ; Shimomura K. ; Yabuuchi N. ; Ozeki T. ; Yui H. ; Konno K. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 13487.
doi: 10.1021/jp201691g |
8 | (a) Buqa, H.; Holzapfel, M.; Krumeich, F.; Veit, C.; Novák, P. J. Power Sources 2006, 161, 617. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.03.073 |
(b) Lee, J. R.; Won, J. H.; Kim, J. H.; Kim, K. J.; Lee, S. Y. J. Power Sources 2012, 216, 42. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.05.052 | |
9 |
Komaba S. ; Yabuuchi N. ; Ozeki T. ; Okushi K. ; Yui H. ; Konno K. ; Katayama Y. ; Miura T. J. Power Sources 2010, 195, 6069.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.12.058 |
10 |
Lee J. H. ; Paik U. ; Hackley V. A. ; Choi Y. M. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A1763.
doi: 10.1149/1.1979214 |
11 |
Tanaka S. ; Narutomi T. ; Suzuki S. ; Nakao A. ; Oji H. ; Yabuuchi N. J. Power Sources 2017, 358, 121.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.05.032 |
12 | (a) Lee, S. Y.; Choi, Y.; Hong, K. S.; Lee, J. K.; Kim, J. Y.; Bae, J. S.; Jeong, E. D. Appl. Surf. Sci. 2018, 447, 442. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.04.004 |
(b) Hays, K. A.; Ruther, R. E.; Kukay, A. J.; Cao, P. F.; Saito, T.; Wood, D. L.; Li, J. L. J. Power Sources 2018, 384, 136. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.085 | |
13 |
Qiu L. ; Shen Y. ; Fan H. ; Yang X. ; Wang C. Int. J. Biol. Macromol. 2018, 115, 672.
doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.04.062 |
14 |
Lee B. R. ; Kim S. j. ; Oh E. S. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A2128.
doi: 10.1149/2.0641414jes |
15 |
Wu Y. L. ; Yang J. ; Wang J. L. ; Yin L. C. ; Nuli Y. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 283.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20100205 |
伍英蕾; 杨军; 王久林; 尹利超; 努丽燕娜. 物理化学学报, 2010, 26, 283.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20100205 |
|
16 |
Kovalenko I. ; Zdyrko B. ; Magasinski A. ; Hertzberg B. ; Milicev Z. ; Burtovyy R. ; Luzinov I. ; Yushin G. Science 2011, 334, 75.
doi: 10.1126/science.1209150 |
17 |
Bae J. ; Cha S. H. ; Park J. Macromol. Res. 2013, 21, 826.
doi: 10.1002/aenm.201100236 |
18 |
Kim J. S. ; Choi W. ; Cho K. Y. ; Byun D. ; Lim J. ; Lee J. K. J. Power Sources 2013, 244, 521.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.02.049 |
19 |
Ma Y. ; Chen K. ; Ma J. ; Xu G. ; Dong S. ; Chen B. ; Li J. ; Chen Z. ; Zhou X. ; Cui G. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 273.
doi: 10.1039/C8EE02555J |
20 |
Liu W. R. ; Yang M. H. ; Wu H. C. ; Chiao S. ; Wu N. L. Electrochem. Solid-State Lett. 2005, 8, A100.
doi: 10.1149/1.1847685 |
21 |
Shah R. ; Gu J. ; Razzaq A. ; Zhao X. ; Shen X. ; Miao L. ; Yan C. ; Peng Y. ; Deng Z. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 3171.
doi: 10.1021/acsaem.8b00388 |
22 | (a) Wang, H.; Umeno, T.; Mizuma, K.; Yoshio, M. J. Power Sources 2008, 175, 886. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.09.103 |
(b) Rezvani, S. J.; Pasqualini, M.; Witkowska, A.; Gunnella, R.; Birrozzi, A.; Minicucci, M.; Rajantie, H.; Copley, M.; Nobili, F.; Di Cicco, A. Appl. Surf. Sci. 2018, 435, 1029. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.10.195 | |
(c) Chou, W. Y.; Jin, Y. C.; Duh, J. G.; Lu, C. Z.; Liao, S. C. Appl. Surf. Sci. 2015, 355, 1272. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.08.046 | |
23 |
Wang Y. ; Zheng H. ; Qu Q. ; Zhang L. ; Battaglia VS. ; Zheng H. Carbon 2015, 92, 318.
doi: 10.1016/j.carbon.2015.04.084 |
24 | (a) Shi, Q.; Heng, S.; Qu, Q.; Gao, T.; Liu, W.; Hang, L.; Zheng, H. J. Mater. Chem. A 2017, 22, 10885. doi: 10.1039/C7TA02706K |
(b) Luo, L.; Xu, Y.; Zhang, H.; Han, X.; Dong, H.; Xu, X.; Chen C.; Zhang, Y.; Lin, J. ACS Appl Mater Inter. 2016, 12, 8154. doi: 10.1021/acsami.6b03046 | |
25 | (a) Wotango, A. S.; Su, W. N.; Haregewoin, A. M.; Chen, H. M.; Cheng, J. H.; Lin, M. H.; Wang, C. H.; Hwang, B. J. ACS Appl. Mater. Inter. 2018, 10, 25252. doi: 10.1021/acsami.8b02185 |
(b) Wang, Y.; Zhang, L.; Qu, Q.; Zhang, J.; Zheng, H. Electrochim. Acta 2016, 191, 70. doi: 10.1016/j.electacta.2016.01.025 | |
26 | (a) Xiang, H.; Mei, D.; Yan, P.; Bhattacharya, P.; Burton, S. D.; von Wald Cresce, A.; Cao, R.; Engelhard, M. H.; Bowden, M. E.; Zhu, Z.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 20687. doi: 10.1021/acsami.5b05552 |
(b) Kil, K. C. Paik, U. Macromol. Res. 2015, 23, 719. doi: 10.1007/s13233-015-3094-1 | |
27 | (a) Wang, R.; Feng, L.; Yang, W.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Bai, W.; Liu, B.; Zhang, W.; Chuan, Y.; Zheng, Z. Nanoscale Res. Lett. 2017, 12, 575. doi: 10.1186/s11671-017-2348-6 |
(b) Komaba, S.; Itabashi, T.; Kaplan, B.; Groult, H.; Kumagai, N. Electrochem. Commun. 2003, 5, 962. doi: 10.1016/j.e;ecom.2003.09.003 | |
(c) Lee, J. T.; Wu, M. S.; Wang, F. M.; Lin, Y. W.; Bai, M. Y.; Chiang, P. C. J. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A1837. doi: 10.1149/1.1993407 | |
28 | (a) Chai, L.; Qu, Q.; Zhang, L.; Shen, M.; Zhang, L.; Zheng, H. Electrochim. Acta 2013, 105, 378. doi: 10.1016/j.electacta.2013.05.009 |
(b) Wang, Z.; Dang, G.; Zhang, Q.; Xie, J. Inter. J. Electrochem. Sci. 2017, 12, 7457. doi: 10.20964/2017.08.55 | |
(c) Zhao, H.; Du, A.; Ling, M.; Battaglia, V.; Liu, G. Electrochim. Acta 2016, 209, 159. doi: 10.1016/j.electacta.2016.05.061 | |
(d) Gómez-Cámer, J. L.; Bünzli, C.; Hantel, M. M.; Poux, T.; Novák, P. Carbon 2016, 105, 42. doi: 10.1016/j.carbon.2016.04.022 | |
(e) Ku, J. H.; Hwang, S. S.; Ham, D. J.; Song, M. S.; Shon, J. K.; Ji, S. M.; Choi, J. M.; Doo, S. G. J. Power Sources 2015, 287, 36. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.04.007 | |
(f) Shin, D.; Park, H.; Paik, U. Electrochem. Commun. 2017, 77, 103. doi: 10.1016/j.elecom.2017.02.018 | |
29 | (a) Tang, J.; Yang, J.; Zhou, X.; Yao, H.; Zhou, L. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 23844. doi: 10.1039/C5TA06859B |
(b) Levi, M. D.; Aurbach, D. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4630. doi: 10.1021/jp9701909 | |
(c) Sun, X. Z.; Huang, B.; Zhang, X.; Zhang, D. C.; Zhang, H. T.; Ma, Y. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 2071.[孙现众,黄博,张熊,张大成,张海涛,马衍伟.物理化学学报, 2014, 30, 2071.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201408292 | |
30 | (a) Zhang, L.; Zhang, L.; Chai, L.; Xue, P.; Hao, W.; Zheng, H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 19036. doi: 10.1039/C4TA04320K |
(b) Ryou, M. H.; Kim, J.; Lee, I.; Kim, S.; Jeong, Y.; K.; Hong, S.; Ryu, J. H.; Kim, T. S.; Park, J. K.; Lee, H. Adv. Mater. 2013, 25, 1571. doi: 1010.1002/adma.201203981 |
[1] | 汪茹, 刘志康, 严超, 伽龙, 黄云辉. 高安全锂离子电池复合集流体的界面强化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2203043 -0 . |
[2] | 齐亚娥, 夏永姚. 电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2205045 -0 . |
[3] | 朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2103052 - . |
[4] | 杨越, 朱加伟, 王鹏彦, 刘海咪, 曾炜豪, 陈磊, 陈志祥, 木士春. 镶嵌于NH2-MIL-125 (Ti)衍生氮掺多孔碳中的花状超细纳米TiO2作为高活性和稳定性的锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2106002 - . |
[5] | 莫英, 肖逵逵, 吴剑芳, 刘辉, 胡爱平, 高鹏, 刘继磊. 锂离子电池隔膜的功能化改性及表征技术[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2107030 - . |
[6] | 吴锋, 李晴, 陈来, 王紫润, 陈刚, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 苏岳锋. 高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2007017 - . |
[7] | 薄拯, 孔竞, 杨化超, 郑周威, 陈鹏鹏, 严建华, 岑可法. 基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容[J]. 物理化学学报, 2022, 38(4): 2005054 - . |
[8] | 刘学伟, 牛莹, 曹瑞雄, 陈晓红, 商红岩, 宋怀河. 石墨烯包覆天然球形石墨作为锂离子电池的负极材料,是否需要乙炔黑导电剂?[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2012062 - . |
[9] | 丁晓博, 黄倩晖, 熊训辉. 锂离子电池快充石墨负极研究与应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2204057 - . |
[10] | 苏岳锋, 张其雨, 陈来, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 吴锋. ZrO2包覆高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料提高其循环稳定性的作用机理[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 2005062 - . |
[11] | 李慧, 刘双宇, 袁天赐, 王博, 盛鹏, 徐丽, 赵广耀, 白会涛, 陈新, 陈重学, 曹余良. NaOH浓度对Na0.44MnO2储钠性能的影响[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 1907049 - . |
[12] | 陈瑶, 董浩洋, 李园园, 刘金平. 钠离子电池阵列化负极材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(12): 2007075 - . |
[13] | 张思东, 刘园, 祁慕尧, 曹安民. 表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2011007 - . |
[14] | 叶耀坤, 胡宗祥, 刘佳华, 林伟成, 陈涛文, 郑家新, 潘锋. 锂离子电池正极材料中的极化子现象理论计算研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2011003 - . |
[15] | 安惠芳, 姜莉, 李峰, 吴平, 朱晓舒, 魏少华, 周益明. 基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1905034 - . |
|