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​《AFM》一种性能优异的固态锂硫电池

随着汽车工业的发展,促使人们大力追求能量密度更高、安全系数更高和成本更低的储能系统。锂硫电池(Li-S)被认为是很有前途的,因为硫的转化型反应提供了2660 Wh kg-1的理论比能量密度(根据S:1671 mAh g-1和Li:3862 mAh g-1的理论容量计算,电池电压为2.28V),它比基于LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的279 mAh g-1理论容量计算的锂离子电池理论能量密度(606Wh kg-1)高出4倍以上。然而,它的实际应用受到了低硫活性物质利用率、多硫化物穿梭效应等严峻挑战,以及在锂负极中锂枝晶生长的限制。

固态锂硫电池(SSLSB)越来越受到人们的关注,主要是因为它能够抑制锂枝晶的生长和具有可观的能量密度,以及在解决安全问题的方面具有巨大潜力。此外,在固态电池中能够解决硫正极的多硫化物穿梭效应。近年来,已经开发了许多固体电解质系统用于SSLSB,包括聚合物固体电解质和无机固体电解质,需要同时考虑固体电解质与锂金属负极界面接触问题和硫及其放电产物(Li2S)电子导电性差,导致可逆性低,活性物质利用率低等问题。在Li-S电池的充放电过程中,S和Li2S之间的转换产生了显著的体积变化,从而导致活性物质和固体电解质之间的永久分离。

近日,德国明斯特大学MEET电池研究中心 Peter Bieker(通讯作者)通过使用硫代快离子导体/聚合物复合电解质和硫化聚丙烯腈(S/PAN)正极,组装了一种拥有优异性能的固态锂硫电池(SSLSB)。相关论文以题为“Solid-State Lithium–Sulfur Battery Enabled by Thio-LiSICON/PolymerComposite Electrolyte and Sulfurized Polyacrylonitrile Cathode”于2020年2月21日发表在Adv. Funct. Mater.上。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910123

​《AFM》一种性能优异的固态锂硫电池

在本文中,作者提出了一种新的SSLSB结构,如图1c所示,引入了Li3.25Ge0.25P0.75S4(LGPS)/聚氧化乙烯(PEO)复合电解质(LCE)来取代常规硬质的无机固体电解质。目的在于提高固态电解质界面的润湿性,降低电荷转移电阻。S/PAN因其独特的电化学特性而被用作正极材料:结合核磁共振和电子顺磁共振表征的电化学和结构研究揭示S/PAN的充放电机理,它是在硫接枝共轭聚合物骨架内自由基介导的氧化还原反应,S/PAN的这一特性有助于缓解正极体积变化,保持快速的氧化还原动力学,因此取代了传统的S/C正极。

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图1.对比(a)液态S-Li电池,(b)传统的固态S-Li电池和(c)在本文中提出的固态Li-S电池的结构。

​《AFM》一种性能优异的固态锂硫电池

图2.LGPS/PEO复合电解质(LCE)的制备工艺原理图及相应表征

由此组装的SSLSB全电池在0.2C和0.5 C下分别表现出1183 mAh g-1和719 mAh g-1的优异性能,并能在0.1 C下循环50圈后,仍然保持588 mAh g-1的容量。同时结合力学和结构研究揭示了S/PAN的自由基参与充放电机制,进一步从S/PAN更基本的电化学特性解释了这种新型SSLSB的优异性能。

​《AFM》一种性能优异的固态锂硫电池

图3.LCE的离子电导率和迁移数

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图4.Li-Li对称电池的原理图及相应的电化学性能

​《AFM》一种性能优异的固态锂硫电池

图5.在0.1 C和60 °C下,S/PAN/LCELi全电池的循环性能

作者同时利用LCE和S/PAN正极的优点,开发的一种高性能的固态锂硫电池,制备的LCE具有高离子电导率(0.42×10-3S cm-1)和锂离子迁移数(0.87),同时具有优异的电化学性能。合理的结构设计使得固态锂硫电池的得以成功,为以后设计具有优异性能的固态锂硫电池提供了新思路。

来源:材料科学与工程公众号,作者:Caspar。

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