蘇州大學晏成林Nano Lett.：準固態鋰硫電池中，吐溫聚合物與鋰/電解質界面的相容性

【引言】

鋰電池具有高的能量密度方面，在能源器件上具有很高的應用價值，因此得到了越來越多的關注。但是在實際應用中，因為Li/電解質界面差，Li⁺的電導率低和Li枝晶生長等問題，嚴重限制了固態鋰金屬電池的應用。如何解決這些問題呢？本文發現一種新的聚合界面可以解決這些問題，促進固態鋰硫電池的產業化發展。

【成果簡介】

近日，中國蘇州大學的晏成林（通訊）作者等人研究了在活性鋰上連接聚山梨酸酯（吐溫-20），進而獲得高Li⁺電導率和相容性聚合物界面層。因為Li（TG-Li）中的氧乙烯基團提高了離子電導率和Li/電解質界面的相容性，獲得超過1000個循環的超電勢和穩定的固態鋰電池。因此，含有基于聚環氧乙烷TG-Li的固態鋰硫電池，在0.2C（1C = 1675 mAh g^-1），500圈和2℃下，其高循環可逆容量為1051.2 mAh g^-1。同時，隨著Ar⁺濺射深度的增加，硫原子濃度的降低，說明在長期循環后，聚合物界面層也能很好地抑制Li表面上的多硫化物還原成Li₂S/Li₂S₂。相關成果以“Use of Tween Polymer To Enhance the Compatibility of the Li/Electrolyte Interface for the High-Performance and High-Safety Quasi-Solid-State Lithium–Sulfur Battery”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖 1 吐溫連接鋰的示意圖及性能計算圖

（a）吐溫連接鋰的示意圖；

（b）DFT計算烷基鏈分別與Li₂S₈，Li₂S₆的親和力，評估烷基鏈和多硫化物的抗性圖。

圖 2 裸Li和TG-Li中Li嵌入/脫出前后的性能和結構表征圖

（a）裸Li和TG-Li中Li的嵌入/脫出行為機理示意圖；

（b）在25℃下，電流密度為0.5 mA cm^-2時，裸Li箔對稱電池和TG-Li對稱電池的電壓分布圖；

（c）嵌入/脫出前，裸Li的截面SEM圖像；

（d）嵌入/脫出50次后，裸Li的截面SEM圖像

（e）嵌入/脫出前，TG-Li的截面SEM圖像；

（f）嵌入/脫出50次后，TG-Li的截面SEM圖像。

圖 3 裸Li//S和TG-Li/S電池的原位XRD和壓力隨時間變化圖

（a）原位XRD觀察示意圖；

（b）在0.3 C下，裸Li//S電池首圈充放電的原位XRD等高線圖；

（c）TG-Li//S電池首圈充放電的原位XRD等高線圖；

（d）裸Li//S電池中的Li₂S相的XRD轉變譜圖；

（e）TG-Li//S電池Li₂S相角度的XRD譜圖；

（f）裸Li//S和TG-Li/S電池隨時間變化的壓力測試圖。

圖 4 裸Li//S和TG-Li/S電池的性能圖

（a）裸Li//S和TG-Li/S電池的倍率性能圖；

（b）在PEO基電解液中，TG-Li負極的倍率性能圖；

（c）不同掃速下，TG-Li的CV曲線圖；

（d）是（c）計算所的Ip和ν^1/2圖；

（e）在1 C下，裸Li//S和TG-Li/S電池循環50圈前后的阻抗圖；

（f）在1 C下，裸Li//S和TG-Li/S電池循環150的性能圖；

（g）在500 μA cm^?2下，硫負載量為2.8和4.9 mg cm^-2的TG-Li/S電池的循環性能圖；

（h）在2 C下，TG-Li/S電池的比容量和庫倫效率圖。

圖 5 TG-Li負極的成分分析圖

（a）Ar⁺離子濺射蝕刻TG-Li負極不同深度處的XPS譜圖；

（b）Li 1s的XPS深度剖面圖；

（c）不同刻蝕深度S 2p的XPS譜圖；

（d）刻蝕深度為0 nm的TG-Li電池中，S 2p的XPS譜圖；

（e）刻蝕深度為1500 nm的TG-Li電池中，S 2p的XPS譜圖；

（f）刻蝕深度為3000 nm的TG-Li電池中，S 2p的XPS譜圖；

（g）隨著蝕刻深度增加，TG-Li負極上的Li，S和C的原子濃度圖；

（h）是（g）硫濃原子度的放大圖。

【小結】

本文在活性鋰上，構建了具有高離子電導率的穩定聚合物界面層，實現Li負極與固體電解質之間的良好相容性。通過DFT計算得到發現，聚合物層中的烷基鏈的活性接近金屬鋰，可以避免聚硫化物沉積，從而防止鋰-硫電池中，多硫化物和鋰之間的反應。同時，該界面層能夠有效地抑制Li枝晶生長，防止TG-Li負極的低過電位。值得注意的是，TG-Li可以通過抑制電解質的分解，改善電池的安全性。聚合物層和相容的Li/電解質界面的高電導率，使固態Li-S電池，在0.2 C時，具有1051.2 mAh g^-1的高可逆容量；在500圈的循環中，每個循環保持率98.4%，每個循環僅有0.058％的低遞減率。在充放電100次后，采用Ar⁺離子濺射法，研究界面層不同深度處的S 2p的XPS譜圖，發現隨著Ar⁺濺射深度的增加，硫原子濃度減少，表明聚合物層能夠阻止多硫化物擴散到鋰表面。。

文獻鏈接：Use of Tween Polymer To Enhance the Compatibility of the Li/Electrolyte Interface for the High-Performance and High-Safety Quasi-Solid-State Lithium–Sulfur Battery（Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01882）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！