老瓶裝新酒——金屬Cu箔用于高性能Li2S全電池

【引言】

在眾多新型鋰電池中，鋰硫電池（Li-S）的理論比容量高達1675 mAh/g，理論比能量達到2600 Wh/kg，遠高于商業化的鈷酸鋰電池的容量（<200 mAh/g），是傳統磷酸鐵鋰電池的五至十倍，且硫本身具有無污染，低成本的特點，使得Li-S 電池已成為當前新型汽車動力電池的研究熱點。但是，為了匹配硫正極的高容量，目前Li-S電池多使用金屬鋰片作為負極，金屬鋰的高活性、易燃等特點為Li-S電池帶來了嚴重的安全隱患，使其商業化應用受到嚴重的阻礙。因此，如何提高Li-S電池的安全性能，尋找合適的負極材料用于替換鋰金屬片負極成了目前Li-S電池研究的熱點內容。

【成果介紹】

近日，Li-S電池大牛，德克薩斯大學的Arumugam Manthiram教授課題組在Advanced Energy Materials發表研究性論文：A Lithium–Sulfur Cell Based on Reversible Lithium Deposition from a Li₂S Cathode Host onto a Hostless- Anode Substrate。文章利用常見的Cu金屬片作為負極嵌/脫鋰的載體，構建出了一種新型的“無負極基底全電池”（Anode-host-free full cell）。得益于電池反應過程中生成的Li₂S與Li₂S₂，鋰枝晶在Cu金屬片上的生長受到了明顯的抑制，利用Cu || Li₂S 構建出的全電池具有不亞于Li-S金屬半電池的性能，并且在循環100圈以后，仍然保持96％的庫倫效率。

【圖文導讀】

圖1：利用Cu箔作為負極載體構建Cu || Li₂S全電池。

（a）充放電循環后沉積在銅箔上的鋰的數碼照片。

（b）Cu || Li₂S全電池充放電曲線圖。

（c）Cu || Li₂S全電池充放循環圖。

圖2 Cu || Li₂S電化學性能及SEM圖

（a）Cu || Li₂S與Cu || LiFePO₄?循環保持對比圖

（b）Cu || Li₂S與Cu || Li庫倫效率對比圖

（c）Cu || Li₂S與Cu || Li循環后的SEM圖

（d）Cu || Li₂S 全電池抑制鋰枝晶生長示意圖。

圖3 SEI膜形成及結構分析圖

（a）Cu || Li₂S與Cu || Li 全電池SEI膜的XPS分析。

（b）Cu || Li₂S 全電池的EDX分析

（c）Cu || Li₂S均勻鋰沉積示意圖。

【小結】

本文利用常見的Cu箔替換鋰金屬片作為負極載體，構建出了一種新型的Cu || Li₂S全電池結構。電池反應生成的Li₂S與Li₂S₂形成出了適合鋰離子沉積的保護層，促進鋰離子均勻沉積于Cu基底表面，極大的提高了Li-S電池的循環穩定性以及庫倫效率。這種新型的結構解決了目前Li-S電池中鋰金屬過剩造成的安全問題，在保證誘人電池性能的同時，極大的提高了Li-S電池的安全性，為Li-S電池的研究開辟了一條新的道路。

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