Peningkatan Siklus Anoda Litium Logam dengan Saluran Ion Interlamelar Skala Atom untuk Baterai Li-S
Abstrak
Migrasi seragam ion litium (Li) antara pemisah dan anoda litium sangat penting untuk mencapai depo Li berkualitas baik, yang sangat signifikan untuk operasi baterai logam litium, terutama baterai litium-sulfur (Li-S). Pemisah komersial seperti polipropilena atau polietilena dapat disiapkan dengan proses basah atau kering, tetapi memang dapat menyebabkan banyak porositas, yang mengarah pada pengupasan/pelapisan ion Li yang tidak seragam dan pada akhirnya terbentuknya dendrit Li. Oleh karena itu, kami membuat saluran ion interlamelar skala atom dengan memperkenalkan montmorillonit berlapis pada permukaan pemisah untuk mengaruhi flux ion Li dan mencapai depo Li yang stabil. Saluran ion interlamelar skala atom dengan jarak 1,4 nm menunjukkan kapasitas serapan yang kuat untuk elektrolit dan kapasitas cadangan untuk ion Li, sehingga mempromosikan transfer ion Li yang cepat dan mengarah pada depo ion Li yang seragam di anoda. Khi dirangkap dengan pemisah yang diusulkan, efisiensi coulomb baterai Li||Cu adalah 98,2% setelah 200 siklus dan pelapisan/pengupasan yang stabil bahkan setelah 800 jam dicapai untuk baterai simetris Li||Li. Pentingnya, pemisah yang diusulkan memungkinkan peningkatan kapasitas spesifik 140% setelah 190 siklus saat menggunakan baterai Li-S.
Pendahuluan
Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk aplikasi elektronik berkinerja tinggi seperti kendaraan listrik dan sistem portabel, penelitian yang berfokus pada perangkat penyimpanan energi dengan kepadatan energi tinggi dan umur siklus panjang telah menerima perhatian yang luas [1,2,3]. Secara spesifik, baterai logam litium (LMBs) seperti baterai lithium sulfur (Li-S) dapat memberikan kinerja penyimpanan energi yang unggul karena kepadatan energi tinggi, potensi untuk aplikasi praktis [4,5,6]. Secara menonjol, logam litium telah digunakan sebagai bahan anoda yang menjanjikan, karena memiliki kapasitas penyimpanan teoretis yang tinggi (~ 3860 mAh g−1), potensi standar yang rendah (− 3,04 V v.s. elektroda hidrogen standar) dan densitas berat ringan (0,53 g cm−3). Namun, keberadaan pori yang tidak teratur dalam pemisah komersial dapat mengarah pada kualitas depo litium yang buruk, yang dapat mengakibatkan pembentukan dendrit dan mengonsumsi lebih banyak logam litium dan elektrolit selama proses pelapisan/pengupasan berulang [7, 8].
Akibatnya, dendrit Li dapat membentuk logam Li "mati" ketika mereka mudah terlepas dari kolektor konduktif, yang mengarah pada efisiensi coulomb (CE) yang rendah dan kehilangan kapasitas tidak reversibel [9, 10]. Selain itu, dendrit Li dapat menembus pemisah dan menyebabkan rangkaian pendek LMBs, yang pada akhirnya mengarah pada runaway termal, kebakaran dan bahkan ledakan baterai rechargeable [11, 12]. Karena hambatan tersebut, penggunaan LMBs dalam baterai rechargeable memang terbatas selama 20 tahun terakhir. Oleh karena itu, mencegah pembentukan dendrit litium dapat menjadi pendekatan efektif untuk mengeksploitasi sepenuhnya fitur menjanjikan LMBs [13]. Akhir-akhir ini, para peneliti telah menawarkan berbagai metode untuk mengatasi masalah di atas, termasuk mengoptimalkan komposisi elektrolit [5, 14], membangun lapisan interphase elektrolit padat buatan (SEI) pada anoda logam litium [15], mengembangkan anoda logam litium komposit tiga dimensi [16], dan memodifikasi kolektor [17, 18]. Meskipun strategi-strategi ini dirancang untuk menstabilkan lapisan SEI dan/atau mengurangi densitas arus efektif yang diterapkan pada logam litium, mereka terutama difokuskan pada logam litium dan elektrolit. Hingga saat ini, hanya beberapa karya yang dilakukan untuk mengatasi atau meredam tantangan dendrit dengan memodifikasi pemisah [19]. Jelas, mengatur pemisah dapat menjadi metode baru dan berkelayanan untuk menghambat pembentukan dendrit litium.
Di antara komponen LMBs, pemisah tidak hanya memainkan peran kunci untuk memisahkan elektroda anoda dan katoda untuk menghindari rangkaian pendek, tetapi juga secara langsung mempengaruhi kinerja baterai melalui otorisasi migrasi ion Li [9, 20, 21]. Oleh karena itu, telah dilaporkan bahwa modifikasi sederhana pemisah menggunakan lapisan antar elektrolit polimer semi-padat [22], grafen [23] atau lapisan permukaan modulus tinggi [24] dapat secara efektif mencegah pembentukan dendrit dan sehingga meningkatkan kinerja LMBs. Di antara pendekatan yang telah dilaporkan sebelumnya, lapisan penghalang tebal (> 10 µm) dan memiliki beban massa tinggi (beberapa miligram), yang tentu saja akan menghambat difusi cepat ion Li dan mengurangi kepadatan energi LIBs. Selain itu, sebagian besar LMBs yang menggunakan pemisah fungsional ini hanya dapat bersiklus dengan densitas arus rendah, misalnya, lebih kecil dari 2 mA cm−2. Untuk meningkatkan densitas arus kritis LMBs, penambahan partikel anorganik dalam pemisah untuk meningkatkan struktur pori dan meningkatkan densitas arus kritis dapat menjadi metode efektif lainnya. Namun, distribusi pori yang tidak merata dalam pemisah secara umum dapat mengarah pada difusi ion Li yang tidak teratur selama proses plating/strip, yang mengarah pada depo ion Li yang tidak seragam dan pembentukan dendrit Li [7]. Oleh karena itu, mikrostruktur pemisah dengan saluran transfer litium yang seragam sangat bermanfaat untuk menghapus masalah dendrit yang dihadapi selama proses charge/discharge.
Dalam karya ini, bertujuan untuk memandu migrasi ion Li secara merata melalui pemisah, pemisah komposit modifikasi Li-montmorillonit (Li-MMT) dirancang melalui pembuatan saluran ion interlamelar skala atom pada pemisah PP. Pemisah yang disiapkan dengan jarak interlamelar (~ 1,4 nm) menyediakan banyak situs aktif untuk difusi ion Li dan pembasahan elektrolit [25]. Dengan demikian, pemisah yang dimodifikasi diizinkan untuk mencapai depo ion Li yang seragam pada anoda Li dengan menyatukan arah aliran Li, yang dapat secara efektif menghapus masalah dendrit Li selama proses charge/discharge. Akibatnya, pemisah Li-MMT memungkinkan baterai Li||Cu untuk memberikan 98,2% CE bahkan setelah 200 siklus dan memastikan baterai simetris Li||Li untuk mencapai plating/stripping stabil selama lebih dari 800 jam pada 1 mA cm−2 dengan kapasitas 1 mAh cm−2. Selain itu, baterai dengan pemisah Li-MMT@PP juga memberikan stabilitas siklus yang baik dengan peningkatan kapasitas spesifik 140% dibandingkan dengan pemisah PP setelah 190 siklus pada 0,5 mA cm−2 dengan beban sulfur 1,5 mg cm−2.
Metode Eksperimental
Bahan dan Persiapan
Montmorillonit (MMT), polyvinylidenida fluorida (PVDF), dan hidroksida litium (LiOH) dibeli dari Aladdin. N-metil pirrolidon (NMP) dan asam sulfat (H2SO3) diperoleh dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Bubuk sulfur (S) dan hitam asetilena (dinyatakan sebagai bubuk C) dibeli dari Alfa Aesar. Celgard 2500 digunakan sebagai pemisah. Bubuk Li-MMT disiapkan melalui pertukaran kation. Biasanya, larutan asam sulfat 0,2 M digunakan untuk mengonversi kation dalam interlapis MMT menjadi ion dan kemudian larutan LiOH digunakan untuk membuat larutan pada PH = 7 serta mengonversi ion hidrogen menjadi ion Li. Teknologi freeze-drying digunakan untuk mengumpulkan bubuk Li-MMT. Untuk persiapan pemisah Li-MMT@PP, hanya satu sisi pemisah yang dilapuri dengan Lumpur Li-MMT yang Li-MMT dan bubuk PVDF dengan rasio massa 9:1 didisperseikan secara seragam dalam larutan NMP dan beban massa rata-rata Li-MMT hanya ~ 0,15 mg cm−2.
Karakterisasi
Spektrum difraksi X-ray (XRD) menggunakan difraktometer UltimaIV dengan radiasi CuKα1 (λ = 1,4506 Å) digunakan untuk menyelidiki struktur kristal bubuk Li-MMT. Mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) digunakan untuk mengamati interlapis Li-MMT dan mikroskop elektron indra (SEM, FEI NANOSEI 450) digunakan untuk menganalisis morfologi permukaan.
Pengukuran Elektrokimia
Untuk uji baterai Li||Cu dan Li||Li, biasanya, foil Cu pertama kali dicuci dengan air tisu dan etanol tiga kali untuk menghilangkan kemungkinan impuritas. Kemudian, foil litium dipotong menjadi lingkaran dengan luas 1 cm−2 untuk digunakan sebagai sumber Li. Elektrolit adalah 1 M garam litium bistrifluoromethanesulfonimide (LiTFSI) dalam campuran 1,3-dioksasiklopentan (DOL) dan 1,2-dimetoksi etana (DME) (1:1 v/v) dengan 2 wt% nitrat litium (LiNO3) sebagai aditif. Untuk uji baterai Li-S, katoda S disiapkan melalui metode kami sebelumnya di mana bubuk C dan S dicampur dan dipanaskan pada 155 ℃ selama 24 jam dengan rasio massa 8:2 [26]. Dan kemudian bubuk komposit C/S, C dan PVDF dengan rasio massa 8:1:1 didisperseikan secara seragam dalam larutan NMP untuk menyiapkan elektroda sulfur. Beban sulfur rata-rata adalah 1,5 mg cm−2 yang dilapisi pada foil aluminium yang dilapisi karbon. Baterai dirangkap melalui baterai koin stainless steel (CR2025) dalam kotak sarung argon. Foil litium digunakan sebagai anoda. 20 µL elektrolit digunakan untuk membasahi anoda litium dan tambahan 20 µL digunakan untuk membasahi pemisah dan katoda. Sebelum pengujian, baterai Li-S yang dirangkap diistirahatkan selama 12 jam dan kemudian 0,2 mA cm−2 dengan 5 siklus digunakan untuk mengaktifkan kinerja baterai. Sistem pengujian elektrokimia adalah sistem pengujian baterai CT2001A (LAND Electronic Co., China). Tegangan putus adalah 1,7–2,7 V. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) diuji oleh stasiun kerja elektrokimia (CHI660E, Chenhua Instruments Co., China).
Hasil dan Pembahasan
Untuk mengilustrasikan flux ion Li di seluruh pemisah PP komersial, skematis ditampilkan pada Gambar 1a, b, di mana lapisan Li-MMT ~ 5 µm dilapisi secara seragam pada pemisah PP untuk mengaruhi flux ion Li. Hal yang umum diketahui bahwa pemisah PP komersial biasanya disiapkan dengan proses kering atau basah, dan kemudian pemisah diregangkan untuk menghasilkan banyak ruang kosong untuk memungkinkan ion Li lewat. Namun, pemisah PP komersial menunjukkan jalur yang tidak teratur dan pori yang ditumpuk secara sembarangan (Gambar 1a), sehingga gagal untuk merealisasikan migrasi ion Li yang seragam dan pada akhirnya menyebabkan dendrit Li. Oleh karena itu, ion channel Li-MMT skala atom digunakan sebagai modulator untuk mengaruhi aliran ion Li yang merata (Gambar 1b) dan mencapai depo Li yang seragam. Struktur kristal MMT biasanya terdiri dari lapisan yang bermuatan negatif (NCLs) yang dipisahkan oleh ruang interlapis (> 1 nm), yang menjadi rumah untuk ion kation yang dapat ditukar, seperti Li+, Na+, Mg2+, Ca2+, dll. Oleh karena itu, metode pertukaran kation diperlukan untuk mengonversi kation tuan menjadi ion Li [25]. Struktur dasar NCLs adalah lapisan T-O-T yang khas, di mana "T" adalah lapisan tetrahedral dan "O" adalah lapisan oktahhedral [25]. Dengan struktur interlapis unik Li-MMT, elektrolit dapat menembus lapisan Li-MMT secara efektif, yang mengarah pada transportasi ion Li yang terhalangi, sehingga mencapai difusi ion yang efisien [7, 25]. Morfologi Li-MMT ditampilkan pada Gambar 1c, d yang jelas menunjukkan struktur nanosheet 3D khas dengan arsitektur yang ditumpuk rapat dan sembarangan. Menurut citra HRTEM, struktur berlapis Li-MMT dapat diamati dan menunjukkan jarak interlapis ~ 1,39 nm.
Persiapan dan karakterisasi bubuk Li-MMT dan pemisah Li-MMT@PP. a, b Skematis konsep desain dengan pemisah yang berbeda. c Citra SEM Li-MMT. d Citra HRTEM Li-MMT. e Spektrum XRD. f Citra SEM pemisah PP, citra optik yang dimasukkan adalah pemisah PP. g Citra SEM pemisah Li-MMT@PP dan h profil lintang yang sesuai, citra optik yang dimasukkan di g adalah pemisah Li-MMT@PP. Skala bar: c 1,5 µm, d 5 nm, f 2,5 µm, g 25 µm, h 5 µm
Pengukuran yang akurat dari jarak interlapis Li-MMT ditampilkan pada Gambar 1e. MMT mentah dengan kation yang tidak dapat ditentukan dalam interlapisnya menunjukkan puncak sekitar 6,04°. Setelah pertukaran ion, puncak yang terletak pada 6,92° dapat mengonfirmasi perubahan kation yang tidak dapat ditentukan menjadi ion Li. Karena kation dalam MMT mentah sangat bervariasi dalam ukuran dan distribusi sementara ion Li lebih kecil dari kation lain [25], menyebabkan jarak interlapis berkurang secara bertahap. Menurut hukum Bragg, jarak interlapis Li-MMT dapat diperkirakan ~ 1,4 nm, yang dapat menyediakan saluran yang luas untuk transportasi ion Li dan pembasahan elektrolit. Morfologi poros pemisah PP ditampilkan pada Gambar 1f. Setelah melapisi lapisan Li-MMT, dapat ditemukan bahwa porositas pemisah Li-MMT@PP secara signifikan berkurang (Gambar 1g), yang menguntungkan bagi gerakan ion yang teratur. Dalam karya ini, Lumpur Li-MMT dilapisi menggunakan mesin pelapis, yang menunjukkan potensi untuk produksi skala besar. Ketebalan pelapis hanya 5 µm (Gambar 1h) dengan peningkatan massa yang dapat diabaikan.
Dengan manfaat dari saluran ion interlamelar skala atom di atas, pemisah Li-MMT@PP efektif untuk mengatur depo Li dan menekan pertumbuhan dendrit Li pada skala atom melalui pengaruhi flux ion Li. Pengukuran Brunner–Emme–Teller (BET) menunjukkan distribusi ukuran pori bubuk Li-MMT dalam cakupan 1–3 nm (File tambahan 1: Gambar S1). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, baterai Li||Cu digunakan untuk mempelajari CE. Ditemukan bahwa pemisah Li-MMT@PP dapat memberikan baterai Li||Cu dengan CE tinggi dan stabilitas yang baik bahkan lebih dari 200 siklus pada densitas arus 1 mA cm−2 dengan kapasitas 1 mAh cm−2. Selama pengujian, dapat diamati bahwa semua CE menunjukkan tren naik dalam 5 siklus pertama, yang disebabkan oleh passivasi permukaan depo Li. Namun, CE rata-rata yang lebih tinggi dalam 5 siklus pertama pemisah Li-MMT@PP menyoroti keuntungan bahwa logam litium yang disetorkan mengalami reaksi samping yang lebih rendah dengan elektrolit cair yang dikaitkan dengan pemisah Li-MMT@PP. Dengan plating/stripping berulang, kelemahan pemisah PP secara bertahap terekspos bahwa baterai Li||Cu yang dirangkap hanya bertahan ~ 50 siklus dan CE-nya menurun tajam menjadi 60% dan hampir nol setelah 150 siklus. Sebaliknya, CE baterai Li||Cu yang dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP masih memberikan siklus stabil dengan over-potensi yang lebih rendah (Gambar 2b) dan baterai masih mempertahankan 98,2% CE setelah 200 siklus, yang mengindikasikan bahwa logam litium yang disetorkan lebih seragam dan tidak ada dendrit litium yang dihasilkan setelah pengaturan oleh lapisan Li-MMT.
Kinerja elektrokimia baterai simetris Li||Cu dan Li||Li. a Kurva CE dan b kurva tegangan yang sesuai. c Profil tegangan-waktu baterai simetris Li||Li menggunakan pemisah Li-MMT@PP atau PP pada 1 mA cm−2 dengan kapasitas 1 mAh cm−2. d Histeresis tegangan baterai simetris Li||Li. e, f Profil perbesaran parsial dari c. g Kinerja laju baterai simetris Li
Untuk menyelidiki lebih lanjut keuntungan pemisah Li-MMT@PP dalam stabilitas siklus anoda logam litium, baterai simetris Li||Li dengan berbagai pemisah juga dirangkap. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c, saat kapasitas siklus adalah 1 mAh cm−2 pada densitas arus 1 mA cm−2, baterai dengan pemisah Li-MMT@PP memberikan stabilitas siklus yang unggul dengan plat stabil selama lebih dari 400 siklus (900 jam) (Gambar 2d). Berbeda tajam, baterai dengan pemisah PP menunjukkan histeresis tegangan yang kuat pada tahap awal. Overpotensi hampir dua kali lipat dari pemisah Li-MMT@PP (Gambar 2e). Setelah plating/stripping lebih dari 84 jam, penurunan tajam tegangan diamati untuk baterai dengan pemisah PP (Gambar 2f), yang dapat disebabkan oleh sambungan listrik antara elektroda, yang mengarah pada "short lembut". Oleh karena itu, kinerja laju baterai simetris Li lebih lanjut digunakan untuk menilai densitas arus dalam menekan dendrit Li. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2g, pemisah Li-MMT@PP pada densitas arus yang bahkan tinggi hingga 5 mA cm−2 masih menunjukkan perilaku plating/stripping normal. Pemisah PP menunjukkan fluktuasi tegangan yang signifikan saat densitas arus mendekati 3 mA cm−2. Khususnya saat densitas arus ditingkatkan menjadi 5 mA cm−2, tegangan menjadi sangat tidak stabil, yang mengindikasikan bahwa permukaan anoda litium mengalami dendrit Li yang parah. Dibandingkan dengan karya sebelumnya (File tambahan 1: Tabel S1), pemisah yang dimodifikasi Li-MMT menunjukkan keuntungan yang kompetitif untuk secara efektif menekan dendrit Li.
Korelasi ion Li di seluruh pemisah sebelum dan setelah pelapisan lapisan Li-MMT diusulkan pada Gambar 3a. Setelah pertukaran kation, interlapis Li-MMT menyediakan situs aktif untuk Li. Jarak interlapis 1,4 nm berfungsi sebagai saluran ion Li unik untuk memungkinkan flux ion Li yang teratur selama proses plating/stripping. Namun, untuk pemisah PP, jalur yang tidak teratur (Gambar 3b) dan pori yang ditumpuk secara sembarangan akan gagal untuk memungkinkan migrasi ion Li yang seragam di seluruh pemisah, yang mengarah pada depo ion Li yang tidak homogen dalam proses elektrokimia, dan menyebabkan pembentukan dendrit litium. Oleh karena itu, morfologi anoda logam litium setelah 20 siklus diteliti untuk lebih mengklarifikasi efek pemisah Li-MMT@PP pada penindasan dendrit Li. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, e, setelah melapisi lapisan Li-MMT, depo Li yang seragam dan padat direalisasikan dan tidak ada pembentukan dendrit Li yang diamati pada permukaan anoda bahkan setelah 20 siklus. Pentingnya, anoda logam litium masih mempertahankan struktur yang relatif padat dan kompak dengan permukaan bebas dendrit, yang menyoroti keuntungan lapisan Li-MMT untuk perilaku plating/stripping Li yang bebas dendrit. Namun, untuk sel dengan pemisah PP, anoda logam litium menunjukkan dendrit Li berbentuk kawat setelah siklus (Gambar 3d), dan Li yang rapuh yang tertumpuk longgar dengan struktur yang sangat poros (Gambar 3f).
Citra SEM anoda Li yang dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP atau PP setelah 20 siklus pada 1 mA cm−2 dengan kapasitas 1 mAh cm−2. a, b Ilustrasi mekanisme pemisah Li-MMT@PP atau PP. c, e Pemisah Li-MMT@PP. d, f Pemisah PP. Skala bar: c 25 µm, d 10 µm, e, f 2,5 µm
Untuk menunjukkan potensi pemisah Li-MMT@PP dalam aplikasi praktis baterai logam litium, katoda S dengan beban S 1,5 mg cm−2 digunakan sebagai elektroda. Antarmuka elektrokimia yang dirangkap dengan berbagai pemisah diteliti melalui pengukuran spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, biasanya, semua pemisah menunjukkan setengah lingkaran yang terdepresi pada frekuensi tinggi, yang sesuai dengan hambatan transfer muatan antarmuka. Meskipun kita dapat melihat bahwa hambatan transfer muatan baterai yang dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP sedikit lebih besar dari pada pemisah PP, kinerja baterai tidak terpengaruh setelah aktivasi densitas arus rendah, yang telah diumumkan dalam bagian eksperimental. Dalam wilayah frekuensi rendah, garis yang membingung menunjukkan difusi ion Li dalam materi aktif. Gambar 4b menunjukkan plat tegangan katoda komposit C/S yang dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP atau PP antara 1,7 dan 2,8 V (V.S. Li/Li+). Uji voltametri siklik (CV) dilakukan dan disajikan dalam File tambahan 1: Gambar S2. Meskipun konsentrasi polisulfida yang lebih besar hanya menghasilkan polarisasi konsentrasi yang sedikit lebih besar dari pada pemisah PP, luas puncak pemisah Li-MMT@PP jauh lebih besar dari pada pemisah PP, yang mengindikasikan bahwa lebih banyak polisulfida dihasilkan saat menggunakan lapisan pelapis Li-MMT. Menurut mekanisme reaksi katoda S, baterai Li-S menunjukkan dua plat tipikal selama proses charge/discharge. Pada tahap pertama sebelum titik lutut, pemisah Li-MMT@PP memberikan kapasitas pengurasan tinggi ~ 400 mAh g−1 dengan histeresis tegangan yang dapat diabaikan. Namun, untuk pemisah PP, hanya kapasitas ~ 210 mAh g−1 yang diamati, yang mengindikasikan bahwa polisulfida rantai panjang yang sebagian dilepaskan (terutama Li2S8) tidak terlibat dalam reaksi redoks berikutnya untuk berkontribusi pada kapasitas. Kapasitas pengurasan yang lebih tinggi pada plat pertama menyiratkan bahwa lapisan Li-MMT dapat secara efektif menghindari perjalanan polisulfida rantai panjang yang larut ke permukaan anoda Li. Pada tahap konversi kedua, jelas, untuk pemisah PP, jumlah kecil polisulfida rantai pendek terbentuk karena keberadaan efek perjalanan dalam elektrolit berbasis eter, yang telah dikonfirmasi oleh karya kami sebelumnya [26]. Sebaliknya, pemisah Li-MMT@PP dirancang secara rasional sehingga permukaan Li-MMT memiliki kemampuan ancor yang kuat untuk polisulfida untuk menghindari perjalanan polisulfida [25]. Properti serapan yang unggul memastikan bahwa polisulfida dicegah untuk menyebar ke permukaan anoda Li dan passivasi permukaan Li, sehingga memungkinkan baterai Li-S yang dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP memiliki kapasitas pengurasan tinggi 1283 mAh g−1. Siklus jangka panjang dengan stabilitas yang baik adalah tujuan utama untuk baterai komersial. Stabilitas siklus jangka panjang pemisah Li-MMT@PP ditampilkan pada Gambar 4c. Dalam 20 siklus awal, dapat diamati bahwa kapasitas pemisah Li-MMT@PP dan PP menunjukkan tren menurun yang khas. Hal ini karena, dalam proses pengurasan awal, banyak polisulfida akan menyusut dari dalam materi katoda C/S dan menyusut pada permukaan materi katoda [26], yang mengakibatkan kehilangan kapasitas. Namun, setelah menstabilkan anoda logam litium, manfaat pemisah Li-MMT@PP muncul sehingga retensi kapasitas pengurasan tetap 100% selama siklus berikutnya dan CE juga 100%.
Kinerja elektrokimia baterai Li-S dengan pemisah yang berbeda. a Hasil EIS. b Plat pengisian/pengurasan dengan pemisah Li-MMT@PP atau PP. c Kinerja siklus jangka panjang pada 0,5 mA cm−2 dengan beban sulfur 1,5 mg cm−2
Kesimpulan
Secara ringkasan, saluran ion interatomik (Li-MMT) dibuat pada pemisah PP poros untuk mengatur flux ion Li dan kemudian memandu depo ion Li yang merata pada anoda Li selama proses plating/stripping. Dengan ruang interlapis yang luas (~ 1,4 nm) Li-MMT, pemisah Li-MMT@PP sangat memastikan kelangsingan anoda logam litium dengan menyatukan arah aliran ion litium, yang mengarah pada depo ion Li yang seragam pada permukaan anoda, sehingga membentuk anoda litium bebas dendrit. Khi dirangkap dengan pemisah Li-MMT@PP, baterai Li-S menunjukkan kapasitas reversibel yang luar biasa sebesar 776 mAh g−1 (hampir 1,4 kali lebih besar dari pemisah PP) dengan CE 100% setelah 190 siklus pada densitas arus 0,5 mA cm−2 dengan beban sulfur 1,5 mg cm−2.
