Lapisan Antar Polipirrol/ZnO Meningkatkan Performa Baterai Litium/Sulfur dengan Penindasan Polisulfida yang Ditingkatkan

Abstrak

Lapisan antar baru yang terdiri dari nanofiber polipirrol (PPy) yang dihiasi dengan nanopartikel oksida seng (ZnO) dirancang dengan melapisi slurry PPy/ZnO pada pemisah Celgard 2300. Jaringan hierarkis tiga dimensi ini secara efisien menangkap polisulfida yang larut, menekan efek shutle dan meningkatkan konduktivitas. Sel Li/S yang menyertakan lapisan antar ini menghasilkan 579 mAh g⁻¹ yang stabil setelah 100 siklus pada 0,2 C, menunjukkan jalur yang jelas menuju baterai Li/S komersial.

Latar Belakang

Elektronik portabel dan beban lingkungan bahan bakar fosil mendorong permintaan akan penyimpanan energi ringan dan padat energi. Baterai litium/sulfur (Li/S), yang menawarkan padat energi 2600 Wh kg⁻¹ dan kapasitas teoritis 1672 mAh g⁻¹, adalah kandidat utama. Namun, konduktivitas elektron yang buruk sulfur dan shutle polisulfida membatasi penggunaan praktisnya. Pendekatan tradisional—enkapsulasi berstruktur nano, rekayasa elektrolit, modifikasi perekat—telah menunjukkan kesuksesan yang terbatas. Lapisan antar yang ditempatkan antara katoda dan pemisah dapat menangkap polisulfida, namun bahan berbasis karbon seringkali tidak memiliki kapasitas adsorpsi yang cukup. Polimer konduktif seperti PPy yang di-dope proton dapat mengikat polisulfida melalui ikatan H, sementara oksida logam polar seperti ZnO dapat membentuk interaksi kovalen dengan polisulfida, dengan biaya konduktivitas. Integrasi PPy dengan ZnO menawarkan solusi seimbang: jaringan PPy menyediakan jalur listrik dan penghalang fisik, sementara ZnO meningkatkan penangkap kimiawi tanpa mengorbankan konduktivitas.

Metode

Persiapan Lapisan Antar PPy/ZnO

Nanofiber PPy disintesis mengikuti protokol yang established. 0,2 g PPy disperdi dalam 30 mL Zn(CH₃COO)₂•2H₂O 4 mM metanol, diikuti dengan 10 mL KOH 0,3 M metanol. Campuran diaduk pada 60 °C, kemudian di-sentrifuga untuk menghasilkan komposit PPy/ZnO. Slurry (80 % PPy/ZnO, 10 % Ketjen Black, 10 % PVDF) dilapisi secara seragam pada Celgard 2300, membentuk lapisan antar.

Persiapan Katoda S

Sulfur (Sigma-Aldrich, ~100 mesh) dicampur dengan grafen (2:1 w/w) dan dipanaskan pada 155 °C dalam argon selama 12 jam. Komposit yang dihasilkan, dicampur dengan Ketjen Black dan PVDF (80:10:10), dicetak pada foil Al dilapisi karan, dikeringkan pada 60 °C, dan dicetak menjadi cakram 14 mm, mencapai beban sulfur ~1,3 mg cm⁻².

Karakterisasi Bahan

FE-SEM (Leo-1530), TEM (JEM-2100F), XRD (Smart Lab), FTIR (TENSOR 27), dan XPS (Thermo ESCALAB 250Xi) digunakan untuk menganalisis morfologi, struktur, dan status kimia.

Pengujian Elektrokimia

Sel setengah dirakit dalam kotak hands Ar (kebersihan 99,9995 %). Foil Li berfungsi sebagai anoda; elektrolit terdiri dari 1 M LiTFSI + 0,1 M LiNO₃ dalam campuran DOL/DME 1:1 (~30 µL). Pengujian dilakukan antara 1,7–2,8 V menggunakan stasiun baterai Neware; CV (0,1 mV s⁻¹) dan EIS (10⁻²–10⁵ Hz) direkam dengan VersaSTAT 4.

Hasil dan Pembahasan

Komposit PPy/ZnO menampilkan jaringan hierarkis 3-D dengan serat PPy ~80 nm yang dihiasi dengan nanopartikel ZnO ~15 nm, dikonfirmasi oleh SEM/TEM dan XRD (wurtzite heksagonal). FTIR mengungkapkan puncak khas PPy dan peregangan Zn–O pada 437 cm⁻¹. Ketebalan lapisan antar adalah ~12 nm.

Data elektrokimia menunjukkan bahwa lapisan antar PPy/ZnO mengurangi polarisasi, yang dibuktikan oleh puncak CV yang tajam dan ΔE yang lebih rendah dalam kurva charge/discharge. Kapasitas discharge awal adalah 1194 mAh g⁻¹, jatuh menjadi 579 mAh g⁻¹ setelah 100 siklus pada 0,2 C—yang jauh lebih tinggi dari 318 mAh g⁻¹ sel tanpa lapisan antar.

Performa tingkat ditingkatkan secara signifikan: pada 0,2–2 C sel lapisan antar mempertahankan 404–951 mAh g⁻¹, sementara kontrol jatuh ke 144 mAh g⁻¹. Kapasitas reversible pulih saat kembali ke tingkat yang lebih rendah, menunjukkan penahanan polisulfida yang kuat.

Pengukuran EIS mengungkapkan penurunan resistansi transfer muatan dari 66,3 Ω menjadi 35,9 Ω setelah pemasangan lapisan antar, dan lebih lanjut menjadi 12 Ω setelah 50 siklus, mengonfirmasi jalur elektron yang ditingkatkan dan polarisasi yang berkurang. Impedansi Warburg tetap rendah, mendukung difusi ion yang efisien.

Analisis XPS setelah siklus mengonfirmasi interaksi yang kuat: C–N/C–S, C–O, dan fungsi N dalam PPy; puncak ZnO pada 1022,3/1045,1 eV; dan sinyal sulfur yang menunjukkan pembentukan tiosulfat, menunjukkan penangkap kimiawi polisulfida.

Kesimpulan

Menyematkan lapisan antar komposit PPy/ZnO pada pemisah secara efektif menekan shutle polisulfida, meningkatkan konduktivitas, dan memperpanjang umur siklus baterai Li/S. Sinergi antara jaringan PPy konduktif, fungsi nitrogen, dan nanopartikel ZnO polar menawarkan jalan praktis menuju sel Li/S berperforma tinggi dan layak komersial.