北科ACS AMI: Li10SnP2S12硫化物固體電解質助力全固態鋰硫電池

youyoucao 4年前 (2019-09-24) 3634瀏覽

【引言】

全固態鋰硫電池（ASSLSBs）因高能量密度（2600 Wh kg-1）和高安全性被視為最下一代最具潛力的儲能電池之一。固體電解質作為固態電池的核心起著舉足輕重的作用，其中，硫化物電解質因具有超高的離子電導率而備受關注。Li10SnP2S12作為Li10GeP2S12的替代物，在兼具高離子電導率的同時，還具有易于制備，成本相對低廉的優勢，進而在全固態鋰硫電池中展示出巨大的應用潛力。

【成果介紹】

近日，來自北京科技大學范麗珍教授通過簡單的高能球磨和熱處理相結合的方法制備了Li10SnP2S12陶瓷固體電解質，探究了電解質電導率及活化能隨熱處理溫度變化的演變規律，另外，采用高能球磨方法制備了S-C-Li10SnP2S12復合正極，該復合正極物相分散均勻，具有良好的循環可逆性，以Li10SnP2S12為電解質組裝的全固態鋰硫電池展現出良好的循環和倍率性能，循環過程中也具有較高的可逆容量和庫倫效率。進而通過實驗展示了Li10SnP2S12電解質在全固態鋰硫電池中良好的應用前景。該工作為高離子電導率硫化物電解質在高能量密度全固態電池中的應用提供了推動作用。該研究成果以“High Capacity and Superior Cyclic Performances of All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries Enabled by High-Conductivity Li10SnP2S12?Solid Electrolyte”為題發表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

【圖文導讀】

圖1??全固態S-C|Li10SnP2S12|Li-In電池結構示意圖

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圖2 ?Li10SnP2S12電解質物相及電導率表征

(a)球磨樣品在不同燒結溫度下熱處理2h后的XRD圖譜;?

(b)?Li10SnP2S12電解質的晶體結構;

(c)?Li10SnP2S12樣品的活化能，離子電導率與熱處理溫度的關系;

(d)在不同燒結溫度下合成的Li10SnP2S12樣品的阿倫紐烏斯曲線;

圖3??Li10SnP2S12電解質的形貌表征

(a)?Li10SnP2S12電解質片的直徑；

(b) Li10SnP2S12電解質片的厚度；

(c)?Li10SnP2S12電解質粉的SEM圖像；

(d)?Li10SnP2S12電解質粉的元素分布圖像；

圖4??Li-In/Li10SnP2S12/SS電池CV表征

圖5??復合正極中不同硫含量循環性能比較

(a)?不同硫含量的復合正極第一圈循環釋放容量對比；

(b)?不同硫含量的復合正極在不同循環圈數下循環容量對比；

S-C-Li10SnP2S12復合正極制備；首先，單質硫與?Super P 碳以質量比?2:1混合后在370 rpm轉速下球磨5 h，而后加入Li10SnP2S12電解質，三者質量比分別為S/Li10SnP2S12/C = y/(100–1.5y)/0.5y，其中?y = 20, 25, 30 或?35，最后三者在370 rpm 球磨?1 h以保證混合均勻，所有的操作均在氬氣氣氛下進行。

圖6 ?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的CV曲線

圖7 ?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的電化學性能

(a)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在第1圈，第10圈，第50圈的充放電曲線;

(b)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的循環容量曲線;

(c)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在不同電流密度下的充放電曲線;

(d)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在不同電流密度下的循環容量；

圖8 ?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs循環前后阻抗及橫截面形貌

(a)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs第1圈和第50圈循環后電池的阻抗;

(b)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs循環之前斷面圖;

(c)?S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在50圈循環后斷面圖;

【小結】

該研究工作通過簡單的球磨加熱處理工藝制備了高電導率的Li10SnP2S12硫化物電解質。在室溫條件下，該電解質的離子電導率為3.2×10-3?S cm-1，進一步的研究了熱處理溫度對Li10SnP2S12電解質電導率及活化能的影響，此外，采用高能球磨的方法制備了S-C-Li10SnP2S12復合正極，以Li10SnP2S12為固體電解質組裝的全固態鋰硫電池在電流密度為40mA?g-1條件下，初始容量高達1601.7 mAh g-1，循環過程中也具有較高的可逆容量和庫倫效率。該工作展示了Li10SnP2S12電解質在全固態鋰硫電池中的巨大應用潛力，為高離子電導率的硫化物電解質在全固態電池中的應用打下了堅實的基礎。

本文第一作者為北京科技大學博士生伊竟廣，通訊作者為范麗珍。本成果是在國家自然基金((51532002和51872027)、北京市自然基金（L172023 和?L182019）和國家基礎研究計劃（2018YFB0104300）的資助下完成。

文獻鏈接：High Capacity and Superior Cyclic Performances of All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries Enabled by High-Conductivity Li10SnP2S12?Solid Electrolyte（ACS Applied Materials & Interfaces,2019, DOI: 10.1021/acsami.9b12846.）

本文由北京科技大學范麗珍教授課題組供稿。

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