清華大學&斯坦福大學Joule: 基于固態電解質的高能量密度熔融液態鋰-硫和鋰-硒電池
【引言】
目前商業化的鋰離子電池的能量密度低于300 Wh kg-1和750 Wh L-1，急需進一步的提升。位于同一主族的硫和硒由于具有極高的理論比容量和低成本受到了廣泛的研究關注。以前的研究主要集中在使用固態鋰金屬負極，固態S或Se正極（粉末或不同的S/C或Se/C復合材料）搭配有機電解液的電池上。 然而，由于使用了固態鋰金屬和有機電解液，導致電池不可避免的存在以下問題：（1）由于Li2Sx或Li2Sex溶解在電解液中而引起的穿梭效應，導致電池的循環穩定性差和庫侖效率低；（2）有機電解液易燃導致的安全性問題；（3）鋰枝晶的不斷生成和與電解液的副反應不斷損耗鋰金屬負極。此外，在充電和放電過程中固體S和Se的體積膨脹效應會導致活性S或Se從集流體上脫落，導致循環穩定變差和硫和硒的利用率降低。這些問題嚴重阻礙了鋰-硫和鋰-硒電池的發展。
【成果簡介】
近日，清華大學伍暉副教授聯合斯坦福大學崔屹教授（共同通訊作者）提出并設計了基于固體電解質的高能量密度熔融液態Li-S和Li-Se（簡稱SELL-S和SELL-Se）電池。電池使用Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作為電解質并在高于Li熔點的溫度下工作。該策略有效地防止了多硫化物或多硒化物的穿梭效應和鋰枝晶的生長，并且使得電池同時兼具高能量密度，高穩定性，快充/放電能力，高庫侖效率和高能量效率。這種SELL-S和SELL-Se電池為構建高能量，高功率，長壽命和低成本儲能系統提供了更廣闊的平臺。相關研究成果“High-Energy-Density Solid-Electrolyte-Based Liquid Li-S and Li-Se Batteries”為題發表在Joule上。
【圖文導讀】
圖一SELL-S和SELL-Se電池系統的結構示意圖
（A）SELL-S和SELL-Se電池的結構。鋰硫電池
（B）SELL-S和SELL-Se電池盒的光學圖像。
（C）使用冷等靜壓制備S/C二次顆粒的方法。
（D）SELL-S和SELL-Se電池的充電和放電示意圖。
圖二SELL-S和SELL-Se電池系統的特性
（A）SELL-S電池的CV曲線。
（B）SELL-Se電池的CV曲線。
（C）SELL-S電池在不同充放電狀態下的XRD譜圖。
（D）SELL-Se電池在不同充放電狀態下的XRD譜圖。
（E）S/C電極在100％SOC和放電結束時的SEM圖像。
（F）Se/C電極在100％SOC和放電結束時的SEM圖像。
圖三在240 °C下運行的SELL-S電池的電化學性能
（A）前5圈，電池的電壓-時間曲線，電流密度為8 mA cm-2。
（B）在8 mA cm-2的電流密度下，庫倫效率，能量效率和比容量與循環次數的關系。
（C）第20、30和40次充放電的電壓-容量曲線。
（D）SELL-S電池的倍率性能。
（E，F）在放電過程（E）和充電過程（F）處于不同充電狀態時，SELL-S電池的電化學阻抗譜。
圖四SELL-Se電池的電化學性能
（A）240 °C下，SELL-Se電池前5次循環的電壓-時間曲線，電流密度為10mA cm-2。
（B）在240 °C下的第50、100和300次充放電循環中的電壓-容量曲線。
（C）SELL-Se電池在240°C下的倍率性能。
（D）SELL-Se電池的循環性能。
（E）SELL-Se的電化學阻抗譜。
（F）在4 C的電流密度下將工作溫度從240°?C增加到300°?C時，庫侖效率，能效和比容量的變化情況。
（G）SELL-Se電池在大電流密度下的循環性能。
圖五SELL-S和SELL-Se電池系統的能量密度計算。
【小結】
崔屹教授研究團隊通過使用固態石榴石型LLZTO陶瓷管電解質，成功設計制備了新型的SELL-S和SELL-Se電池體系，該系統在240°C-300°C具有高能量密度和優異的循環穩定性。組裝后的電池可實現高庫侖效率，高功率輸出和高能效。在成本方面，其理論綜合成本也優于現有商業化的LIBs。總體而言，SELL-S和SELL-Se電池系統的低成本，高能量密度、優異的電化學性能和高安全性等優勢，使其有望未來在大規模儲能領域進一步應用。
文獻鏈接：“High-Energy-Density Solid-Electrolyte-Based Liquid Li-S and Li-Se Batteries”(Joule.DOI:10.1016/j.joule.2019.09.003)
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