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崔光磊團(tuán)隊(duì):自支撐硫化物骨架助力全固態(tài)鋰金屬電池
日期:2021-05-18   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:simaran_sxj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
研究背景

作為新一代儲(chǔ)能器件,鋰離子電池以其高能量密度和長循環(huán)壽命在移動(dòng)電子、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域備受青睞。然而,有機(jī)電解液的使用讓傳統(tǒng)鋰離子電池存在諸如泄露、爆炸等安全隱患。解決上述問題最行之有效的方法之一是將電解質(zhì)固態(tài)化,制備高安全性的全固態(tài)鋰電池。目前,全固態(tài)鋰電池的性能提升主要受限于無法同時(shí)解決固態(tài)電解質(zhì)低的室溫離子電導(dǎo)率和高的固-固界面阻抗這兩大瓶頸問題。

工作介紹

鑒于此,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組提出一種創(chuàng)新策略:利用SeS2作為造孔劑首次制備高電導(dǎo)率自支撐三維多孔硫化物L(fēng)i6PS5Cl (p-LPSCl)滲流骨架,隨后將聚合物前驅(qū)體溶液聚乙二醇甲基醚丙烯酸酯(poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate,PEGMEA)澆注于自支撐三維多孔硫化物L(fēng)i6PS5Cl (p-LPSCl)滲流骨架中,通過引發(fā)PEGMEA原位聚合得到復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)核磁揭示Li+在該復(fù)合電解質(zhì)中主要沿LPSCl相快速傳輸,因而該復(fù)合電解質(zhì)室溫電導(dǎo)率相較于純聚合物電解質(zhì)提升128倍,達(dá)到4.6×10–4 S cm–1。同時(shí),得益于原位聚合的策略,電極/電解質(zhì)界面相容性得到顯著優(yōu)化。利用該策略裝配的LiCoO2|Li和NMC811|Li全固態(tài)電池表現(xiàn)出高的放電比容量及優(yōu)異的循環(huán)性能。這一創(chuàng)新的整合策略對(duì)于解決全固態(tài)電池的瓶頸問題,推進(jìn)全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要指導(dǎo)意義。該成果以“Facile Design of Sulfide-based all Solid-State Lithium metal Battery: In Situ Polymerization within Self-Supported Porous Argyrodite Skeleton”為題發(fā)表在國際知名期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202101523)上。通訊作者為中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員,2017級(jí)直博生王延濤和鞠江偉副研究員為本文共同第一作者。



圖1. 全固態(tài)電池制備示意圖

內(nèi)容表述

1. 三維多孔LPSCl骨架制備及表征
作者創(chuàng)造性采用SeS2作為造孔劑來制備p-LPSCl。根據(jù)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析,SeS2非常適合作為制備三維多孔硫化物滲流骨架的造孔劑。


圖2. p-LPSCl結(jié)構(gòu)分析a) p-LPSCl和初始LPSCl的XRD譜圖。b) p-LPSCl的截面SEM圖像和孔徑分布曲線。c) p-LPSCl的CT三維重建圖像和相應(yīng)的二維切片圖像。白色和灰色分別代表LPSCl相和孔隙。d) p-LPSCl和制備的LPSCl的拉曼光譜。插圖顯示了放大后的光譜部分
 
得益于高電導(dǎo)率的硫化物滲流骨架,該復(fù)合電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率可以達(dá)到4.6×10 -4 S cm–1,相較于純聚合物電解質(zhì)提升128倍。




圖3. 不同固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率及提升因子。提升因子為復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率與聚合物電導(dǎo)率的比值。

 
圖4 展示了原位聚合方式組裝的NCM811|復(fù)合電解質(zhì)|Li全固態(tài)電池的循環(huán)性能,得益于復(fù)合電解質(zhì)高的室溫離子電導(dǎo)率和原位聚合方式獲得的緊密兼容的電極/電解質(zhì)界面,該固態(tài)電池展現(xiàn)出了優(yōu)異的電池性能。這一創(chuàng)新的整合策略對(duì)于解決全固態(tài)電池的瓶頸問題,推進(jìn)全固態(tài)電池的商業(yè)化具有重要的指導(dǎo)意義。


圖4 a)原位聚合方式組裝的NCM811|復(fù)合電解質(zhì)|Li全固態(tài)電池的循環(huán)性能。b) NCM811|復(fù)合電解質(zhì)|Li 全固態(tài)電池的充放電曲線。c)基于不同固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池的電化學(xué)性能對(duì)比。僅用正極活性材料的質(zhì)量來評(píng)價(jià)比容量

結(jié) 論

綜上所述,作者首次報(bào)道了一種三維多孔自支撐硫化物骨架:p-LPSCl,并利用原位聚合策略制備了一種高電導(dǎo)率高性能的復(fù)合電解質(zhì)材料。得益于高電導(dǎo)率的硫化物滲流骨架,該復(fù)合電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率可以達(dá)到4.6×10 -4 S cm -1。原位聚合策略顯著改善了電解質(zhì)/電極界面使得界面阻抗從709降至112 Ω cm2。利用此復(fù)合電解質(zhì)制備的全固態(tài)電池顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能,這項(xiàng)研究為固體電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常有前途的策略,以滿足高離子電導(dǎo)率、良好的電極/電解質(zhì)界面兼容性。 

原標(biāo)題:崔光磊團(tuán)隊(duì):自支撐硫化物骨架助力全固態(tài)鋰金屬電池
 
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來源:儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)
 
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