韋仕敦大學孫學良團隊EES：硫化物電解質所誘導的高性能全固態Li-Se電池

【引言】

采用無機固態電解質的全固態Li電池由于其高能量密度、高安全性等優點而備受研究者青睞，如：使用無機固體電解質可顯著提高電池安全性并可避免電解質的泄漏；Li金屬陽極的潛在相容性可以實現電池的高比能量密度，使其成為移動電子、電動汽車和大型儲能系統的有利競爭材料。全固態Li-S電池曾因其高的理論能量密度而被視為一種極具前景的可替代電池系統，但這些系統同時面臨著較差的充電性能、循環穩定性、庫侖效率及倍率性能等諸多挑戰，使之不能商業化。同時，全固態Li-S電池存在一個致命的缺點，即在電極和電解質間，Li⁺和電子之間的傳輸性能較差。而且，S陰極的絕緣性也阻礙了電池中的固態電化學反應（鋰化/脫鋰），限制了其電化學性能。因此，開發具有高離子和電子傳導率的新型陰極材料是實現全固態Li電池應用的一種重要的方法。

【成果簡介】

近日，韋仕敦大學孫學良教授（通訊作者）等人開展了一項全新的研究：首次開發出全固態Li-Se電池，同時為提高全固態電池電荷轉移提供了新的策略。該團隊研究了以Se-Li₃PS₄-C復合材料為陰極、以Li₃PS₄為電解質、Li-Sn合金為陽極的全固態電池。研究發現：與S相比，Se陰極在室溫下表現出較低的極化和較高的可逆性。同時，Se具有更高的電子傳導率（1×10^-3 S cm^-1，而S僅為0.5×10^-27 S m^-1），因此有望作為電池的新一代陰極材料。該成果以“High-performance All-Solid-State Li-Se Batteries Induced by Sulfide Electrolyte”為題，發表在著名能源期刊Energy Environ. Sci.上。

【圖文導讀】

圖一 全固態Li-Se電池的示意圖及電化學表征

（a）全固態Li-Se電池的示意圖
（b）室溫下50 mA g^-1時，全固態電池中Se陰極和S陰極典型的放電/充電曲線
（c）瞬態放電/充電電壓曲線
（d）在室溫和60 ℃下，由GITT測得的Se / Li₃PS₄ / Li電池相應極化曲線

圖二 全固態電池Se陰極與S陰極的反應動力學分析

（a）球磨過程后，商用Li₃PS₄、SeLi₃PS₄及S-Li₃PS₄的溫度依賴于離子電導率的變化曲線
（b）球磨過程后，在不同設定電壓下，商用Li₃PS₄、SeLi₃PS₄及S-Li₃PS₄的平衡電流曲線

圖三 Se / Li₃PS_4?/ LiSn全固態電池的SEM和電化學表征

（a）陰極/電解質顆粒橫截面SEM圖像
（b）Se、S、P元素的EDX圖像
（c）在50 mA g^-1下，全固態Se/Li₃PS₄/LiSn的放電/充電電壓曲線
（d）不同電流速率下的代表性放電/充電電壓曲線，插圖表示從50 mA g^-1到800 mA g^-1電流密度范圍內的倍率性能分析
（e）在50 mA g^-1下的循環性能和相應的庫侖效率。

圖四 電池首次循環時，對Se陰極的表征

（a）充電/放電曲線
（b）容量依賴原位拉曼光譜等值線圖
（c）在不同的放電/充電狀態下的原位拉曼光譜
（b）和（c）光譜中的“*”由測試中的日光燈所導致

【小結】

該研究首次證明了全固態Li-Se電池具有良好的電化學性能。在室溫下，Se陰極展現出更高的利用率及較低的極化。研究發現：與S-Li₃PS₄電極材料相比，Se-Li₃PS₄電極材料具有更優異的離子電子導率；Se-Li₃PS₄-C陰極中可以實現更快的電荷轉移；通過非原位XRD可以觀察到放電狀態下Se轉化為Li₂Se，以及全充電狀態下Se的回收（即Se與Li₂Se可相互轉化）；此外，原位拉曼分析揭示了（1）Se陰極在放電/充電過程中詳細的演化過程；（2）可逆界面PS_4-xSe_x^3-體系在陰極復合材料中存在著獨特的鋰化/脫鋰反應。這項研究工作表明全固態Li-Se電池可作為極具前景的高能儲存系統，并為固態電池/電極界面化學提供新的見解。

文獻鏈接：High-performance All-Solid-State Li-Se Batteries Induced by Sulfide Electrolyte（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01621F）

本文由材料人編輯部新人組黃敏編譯，杜成江審核，點我加入材料人編輯。

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