1，3-二氧戊环预处理锂片对锂硫电池性能的影响

2016-03-11刘云霞

电源技术 2016年4期

关键词：锂硫库仑负极

刘云霞

(重庆工业职业技术学院化学与制药工程学院，重庆401120)

1，3-二氧戊环预处理锂片对锂硫电池性能的影响

刘云霞

(重庆工业职业技术学院化学与制药工程学院，重庆401120)

采用1，3-二氧戊环对锂金属电极表面进行预处理，并通过充放电测试研究了预处理对锂硫电池电化学性能的影响。结果表明，与以未经预处理锂片作负极的锂硫电池相比，经1，3-二氧戊环预处理5 min的锂片做负极的锂硫电池的性能较好，在电流密度为200 mA/g时，前50次的电池放电容量保持率由42.8%提高到53.5%，首次循环的库仑效率由60.2%提高到70.1%。

锂电池；表面预处理；钝化层；1，3-二氧戊环

锂硫电池面临的主要问题是正极材料硫的导电性差[1-3]和电池的Shuttle效应，后者会引起一系列问题，例如负极锂的腐蚀、电池的库仑效率和循环寿命较低等[4-6]。目前，主要采用了两种不同的方法对锂电极进行保护：一是通过电解液添加剂在充放电过程中在锂表面形成一层保护膜[7-8]；二是对锂负极进行预处理，在锂表面形成一层预处理层[9-10]。

1，3-二氧戊环(DOL)是一种很好的锂硫电解液溶剂，不仅对硫和碳有很好的亲合力，浸润性较好，而且，其黏度较低，能在负极锂上形成一层保护层。因此，本文采用1，3-二氧戊环对锂金属电极表面进行预处理，以此来改善锂硫电池的循环效率和库仑效率。

1 实验

1.1 正极的制备

所有正极中升华硫、导电炭(乙炔黑)和聚四氟乙烯(PTFE)的质量比均为5∶4∶1。将上述物质混合均匀，滴加异丙醇搅拌后制成膜在60℃下真空干燥8 h后，截取圆形膜片，在18 MPa的压力下压在不锈钢网上制成正极，备用。

1.2 锂负极表面的预处理

首先在足够的金属钠屑存在下，将预处理液DOL连续蒸馏两遍，以去除溶剂中的水分，再将锂金属片(电池级)浸入预处理液中5 min，取出后用Ar气流缓慢吹干锂金属表面残余的预处理液。重复以上过程一遍，以保证锂金属表面形成完整的钝化膜。

1.3 电池的组装和性能测试

将制备好的硫电极片作正极，预处理的金属锂片作负极，Celgard 2400微孔膜为隔膜，在充满氩气的MB200B型手套箱中组装CR2016型扣式电池。采用蓝电电池测试系统进行恒流充放电测试，截止电压为1.5～3 V，电流密度为200或500 mA/g。

2 结果与讨论

2.1 对锂硫电池循环性能的影响

图1为不同电流密度下，锂片在1，3-二氧戊环中预处理5 min后Li/S电池的循环曲线，其中DOL-5-200表示电流密度为200 mA/g时，在DOL中预处理锂片5 min的循环曲线，当电流密度为200 mA/g时，锂片未处理和在DOL中处理的电池的首次放电比容量分别为981.5和952 mAh/g，50次循环后的放电比容量分别为410和509.1 mAh/g，前50次的容量保持率分别为42.8%和53.5%；当电流密度为500 mA/g时，两者的首次放电比容量分别为828.4和804.6 mAh/g，前50次的容量保持率分别为45.6%和54.3%。由此可见，无论是在低电流密度(200 mA/g)还是在较高电流密度(500 mA/g)下，锂片经DOL预处理后，电池的循环性能都会变好。

图1 不同电流密度下锂硫电池的循环曲线图

2.2 对锂硫电池库仑效率的影响

图2为不同电流密度下，锂片在DOL中预处理5 min时锂硫电池的库仑效率图，当电流密度为200 mA/g时，锂片未处理和在DOL中处理的电池的首次库仑效率分别为60.2%和70.1%，第50次循环的库仑效率分别为60.3%和62.3%，前50次的平均库仑效率分别为60%和65%；当电流密度为500 mA/g时，两者的首次库仑效率分别为74.7%和75.2%，第50次的库仑效率分别为72%和78.4%。可见，锂片预处理后的库仑效率有少许提升，但效果不是很明显，这有可能是所采用的电解液溶剂中含有DOL，随着充放电的进行，溶剂中的DOL也会在锂片表面形成一层膜，这层膜可能与预处理生成的膜性质类似，所以预处理对电池循环后期的库仑效率的提高效果不明显。

图2 不同电流密度下锂硫电池的库仑效率图

2.3 对锂硫电池放电中压的影响

图3为不同电流密度下，锂片在DOL中预处理5 min时锂硫电池的放电中压图，当电流密度为200 mA/g时，锂片未预处理和用DOL处理的电池的前50次平均放电中压均为2.08 V；当电流密度增大到500 mA/g时，两者的前50次电池平均放电中压均为2.05 V，可见，用DOL预处理锂片，不会对电池的放电中压有明显影响。

综上可知，用1，3-二氧戊环预处理锂片能改善电池的循环性能和库仑效率，其原因很可能是DOL能在锂片表面形成一层保护膜。

图3 不同电流密度下锂硫电池的放电中压图

3 结论

与以未经预处理锂片为负极的锂硫电池相比，经1，3-二氧戊环预处理5 min的锂片为负极的锂硫电池的电化学性能得到明显改善，在电流密度为200 mA/g下，前50次循环性能由42.8%提高到53.5%，首次库仑效率由60%提高到70%，在较高的电流密度(500 mA/g)下，循环性能和库仑效率也得到明显改善。

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Effect of lithium electrodes with 1，3-dioxolane pretreatment on properties of Li-S cell

1，3-dioxolane was used to pretreat the surface of Li electrode，and the effect of the pretreatment lithium electrodes on the electrochemical properties of Li-S Cell was tested by the charge/discharge tests.The results show that the cell with Li electrode treated by 1，3-dioxolane for 5 min has better performance，compared with that of bare Li electrode.At the current density of 200 mA/g， the discharge capacity retention for the first 50 cycles increases from 42.8%to 53.5%，and the first cycle coulomb efficiency increases from 60.2%to 70.1%.

Li-S cell;surface pretreatment;passivating layer;1，3-dioxolane

TM 912.9

1002-087 X(2016)04-0763-02