MOF-Modified Separator for enhancing the performance of lithium sulphur batteries.

Abstract

Lithium-Sulphur-batterier (LSB-er) har høstet betydelig interesse som neste generasjons oppladbare batterier på grunn av deres eksepsjonelle spesifikke energitetthet på 2600 Wh kg-1 og teoretisk spesifikk kapasitet på 1675 mAh g-1, som overgår gjeldende litium-ion-batterier (LIBs) ). Videre gir den rikelige og miljøvennlige naturen til svovel en ekstra fordel. Imidlertid står den utbredte bruken av LSB-er overfor flere utfordringer. Det viktigste hinderet er "skytteleffekten", der langkjedede litiumpolysulfider (Li2Sx, med 4 ≤ x ≤ 8) løses opp i elektrolytten og migrerer fritt mellom anoden og katoden. For å løse dette problemet og oppnå høyytelses LSB-er, dreier hovedfokuset i denne oppgaven seg på å utvikle MOF-modifiserte separatorer som effektivt hindrer bevegelsen av polysulfider.

Metall-organisk rammeverk (MOF) modifiserte separatorer har dukket opp som lovende komponenter for avanserte batterisystemer. Denne oppgaven undersøker potensialet til metall-organiske rammeverk (MOF) som modifiserte separatorer for å forbedre ytelsen til litium-svovel (Li-S) batterier. Ulike MOF-er ble testet for å identifisere den mest effektive kandidaten, som deretter ble sammenlignet med en tilsvarende MOF som inneholdt to metaller. Alle de MOF-modifiserte separatorene viste forbedret elektrokjemisk ytelse, som redusert kapasitetstap og forbedret syklusstabilitet, sammenlignet med tradisjonelle separatorer. UIO66 og Mn-MOF-74 ble valgt for å forbedre egenskapene deres ved å inkorporere to metaller i deres struktur i stedet for en metallnoder. De MOF-modifiserte separatorene bidrar til redusert polarisering, forbedret ladningsoverføringskinetikk og forbedret svovelutnyttelse. Den elektrokjemiske impedansspektroskopi-analysen (EIS) avslører lavere ladningsoverføringsmotstandsverdier for batterier som bruker de modifiserte separatorene, noe som indikerer forbedret elektrokjemisk kinetikk og redusert energitap under lade- og utladingssykluser. Selv om alle de MOF-modifiserte separatorene viser bedre ytelse sammenlignet med Celgard 2400, viste bimetalliske MOF-er bedre ytelse sammenlignet med deres tilsvarende monometalliske MOF. Funnene i studien indikerer at Li-S-batteriet som benytter den UIO66(Fe/Zr)-NH2-modifiserte separatoren, med et aktivt materialeinnhold på 0,81 mg, viste en høyere startkapasitet på 1038,3 mAh/g ved en strømhastighet på 0,1 C. Etter å ha gjennomgått to sykluser ved 0,1C, sank kapasiteten litt til 900,4 mAh/g. Denne innledende kapasiteten og den påfølgende kapasiteten ved 0,3 C var spesielt høyere sammenlignet med Li-S-cellen ved bruk av den UIO66-NH2-modifiserte separatoren med samme innhold av aktivt materiale. For Mn-MOF-74 og dens Fe/Mn-MOF-74 modifiserte separator, demonstrerte The Bimetallic MOF en betydelig høyere startkapasitet på 1152,6 mAh/g sammenlignet med Monometallic MOFs, som viste en kapasitet på 504,9 mAh/g. Etter hvert som syklingen utviklet seg, opplevde imidlertid både Bimetallic MOF og Monometallic MOF en reduksjon i kapasitet. Etter 100 sykluser beholdt den bimetalliske MOF en kapasitet på 735 mAh/g, mens de monometalliske MOF-ene viste en litt lavere kapasitet på 635,6 mAh/g. Disse resultatene indikerer at mens den bimetalliske MOF opprinnelig viste overlegen kapasitet, demonstrerte de monometalliske MOF-ene bedre langsiktig stabilitet når det gjelder kapasitetsbevaring etter sykling.

Lithium-Sulphur batteries (LSBs) have garnered substantial interest as the next-generation rechargeable batteries due to their exceptional specific energy density of 2600 Wh kg-1 and theoretical specific capacity of 1675 mAh g-1, surpassing current lithium-ion batteries (LIBs). Furthermore, the abundant and environmentally friendly nature of sulphur provides an added advantage. However, the widespread adoption of LSBs faces several challenges. The most significant hurdle is the "shuttle effect," where long-chain lithium polysulfides (Li2Sx, with 4 ≤ x ≤ 8) dissolve in the electrolyte and migrate freely between the anode and cathode. To address this issue and achieve high-performance LSBs, the primary focus of this thesis revolves around developing MOF modified separators that effectively impede the movement of polysulfides. Metal-organic framework (MOF) modified separators have emerged as promising components for advanced battery systems. This thesis investigates the potential of metal-organic frameworks (MOFs) as modified separators for improving the performance of lithium-sulphur (Li-S) batteries. Various MOFs were tested to identify the most effective candidate, which was subsequently compared with a corresponding MOF containing two metals. All The MOF-modified separators demonstrated improved electrochemical performance, such as reduced capacity loss and enhanced cycling stability, compared to traditional separators. UIO66 and Mn-MOF-74 were chosen to improve their properties by incorporating two metals in their structure instead of one metal nodes. The MOF-modified separators contribute to reduced polarization, improved charge transfer kinetics, and enhanced sulphur utilization. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis reveals lower charge transfer resistance values for batteries utilizing the modified separators, indicating improved electrochemical kinetics and reduced energy losses during charge and discharge cycles. Although all the MOF-modified separator shows better performance compared to Celgard 2400, bimetallic MOFs showed better performance in comparison with their corresponding monometallic MOF. The findings of the study indicate that the Li-S battery utilizing the UIO66(Fe/Zr)-NH2 modified separator, with an active material content of 0.81 mg, displayed a higher initial capacity of 1038.3 mAh/g at a current rate of 0.1C. After undergoing two cycles at 0.1C, the capacity slightly decreased to 900.4 mAh/g. This initial capacity and the subsequent capacity at 0.3C were notably higher when compared to the Li-S cell using the UIO66-NH2 modified separator with the same active material content. For the Mn-MOF-74 and its Fe/Mn-MOF-74 modified separator, The Bimetallic MOF demonstrated a significantly higher initial capacity of 1152.6 mAh/g compared to the Monometallic MOFs, which exhibited a capacity of 504.9 mAh/g. However, as the cycling progressed, both the Bimetallic MOF and Monometallic MOFs experienced a decrease in capacity. After 100 cycles, the Bimetallic MOF retained a capacity of 735 mAh/g, whereas the Monometallic MOFs exhibited a slightly lower capacity of 635.6 mAh/g. These results indicate that while the Bimetallic MOF initially displayed superior capacity, the Monometallic MOFs demonstrated better long-term stability in terms of capacity retention after cycling. Key words: lithium sulphur batteries, Metal organic framework MOF modified separator, shuttle effect.