硅酸硅酸钠为粘结剂热电池正极薄膜的制备(2)

图4 FeS2粉末球磨不同时间的单体电池放电曲线

活性材料球磨后，通过XRD来判断球磨前后的晶体结构是否发生变化。图5为原始FeS2粉末和球磨24 h FeS2粉末的XRD图谱，通过图中对比得出球磨前后的FeS2粉末晶体结构没有变化。

图5 原始FeS2粉末(a)和球磨24 hFeS2粉末(b)的XRD图谱

2.2 粘结剂的研究

硅酸在高温下可以形成网络结构的氧化硅，但硅酸是粉末形式，缺乏可成形性，难以单独用作粘结剂。硅酸钠在脱水后产生玻璃状黏稠物，并且在高于600℃的温度下可以保持良好的热稳定。因此本实验选用硅酸和硅酸钠的混合物作为粘结剂。

图6为硅酸和硅酸/硅酸钠混合物作为粘结剂时正极薄膜的SEM图像。图6(a)为粘结剂是硅酸时正极薄膜的SEM图像，从图中可以看出粘结剂与FeS2粉末均匀混合，但没有观察到粘结现象。图6(b)为粘结剂是硅酸/硅酸钠混合物时正极薄膜的SEM图像，从图中可以看出FeS2粉末和玻璃状粘结剂均匀地结合在一起。因此选用硅酸/硅酸钠混合物作为粘结剂时粘接效果更好。

图6 硅酸和硅酸/硅酸钠混合物作为粘接剂时正极薄膜的SEM图像

图7(a)为裁好的直径为20 mm的正极薄膜，该薄膜厚度为100 mm。图7(b)所示为在100 mm的薄厚度下，薄膜仍具有良好的机械强度和柔韧性。

图7 制备的正极薄膜

2.3 粘结剂添加量对单体电池放电性能的影响

粘结剂添加量的多少不仅影响薄膜的涂覆效果，而且影响单体电池的放电性能。若粘结剂添加量过少正极材料无法被完全融合，正极材料不能均匀分布在载体表面，裁片时易出现掉渣或剥离现象。若粘结剂添加量过高，会使单体电池内阻增加。因此改变正极薄膜中粘结剂的添加量在500℃、100 mA/cm2恒流放电条件下进行单体电池放电测试，进一步研究粘结剂添加量对放电性能的影响。

图8为正极薄膜中粘结剂的添加质量分数分别为10%、15%、20%的单体电池放电曲线。如图所示，粘结剂添加质量分数为15%时单体电池的第一放电平台最高，第一放电平台维持时间最长，截止电压1.5 V时单体电池中活性物质的比容量最高可以达到287.87 mAh/g，因此正极薄膜中粘结剂的添加质量分数为15%时较为适宜。

图8 正极薄膜中不同粘结剂添加量的单体电池放电曲线

2.4 导电剂的选择以及导电剂添加量对单体电池放电性能的影响

正极薄膜中含有粘结剂会对正极材料的导电性有一定的影响，碳材料有良好网状结构，对正极中的电子有导通作用。因此将5%质量分数的活性炭、乙炔黑、碳纳米管(CNTs)三种导电剂材料分别加入到正极薄膜中，然后在500℃、100 mA/cm2恒流放电条件下进行单体电池放电测试，来确定正极薄膜中最适合的导电剂，并研究正极薄膜中导电剂添加量对单体电池放电性能的影响。

图9为正极薄膜中添加不同导电剂的单体电池放电图。如图所示，正极薄膜中导电剂为碳纳米管时单体电池的初始电压最高在1.9 V左右，第一放电平台维持时间最长，截止电压1.5 V时，单体电池中活性物质的比容量为302.08 mAh/g，因此正极薄膜中添加碳纳米管导电剂放电性能较好。

图9 正极薄膜中添加不同种类导电剂的单体电池放电曲线

图10为正极薄膜中添加不同质量分数的碳纳米管导电剂的单体电池放电曲线。正极薄膜中碳纳米管导电剂的添加质量分数分别为1%、3%、5%。如图所示，放电初期三种单体电池的放电曲线变化不大，但随着放电的进行，正极薄膜中导电剂添加质量分数为1%的单体电池放电效果最好，截止放电电压1.5 V时，单体电池中活性物质的比容量为305.11 mAh/g，因此正极薄膜中导电剂的添加量不能太高，添加1%质量分数较适宜。

图10 正极薄膜中添加不同质量分数碳纳米管导电剂的单体电池放电曲线

2.5 薄膜工艺正极和粉末压片工艺正极放电性能对比

图11为薄膜工艺正极和粉末压片工艺正极的单体电池放电曲线。如图所示，薄膜工艺正极的单体电池放电性能明显优于粉末压片工艺正极，截止电压1.5 V，薄膜工艺正极的单体电池中活性物质的比容量为310.47 mAh/g，粉末压片工艺正极的单体电池中活性物质的比容量为217.85 mAh/g。

图11 不同工艺制备的正极材料单体电池放电曲线

3 结论

本文对热电池FeS2正极薄膜的制备及性能进行了研究，研究得出：

文章来源：《硅酸盐学报》 网址: http://www.gsyxbzz.cn/qikandaodu/2021/0502/498.html