崔屹、陶新永Nano Lett.：Li7La3Zr2O12 /碳泡沫和聚合物的復合材料固體鋰硫電池在37℃下運行

【背景介紹】

具有高能量密度和高安全性的全固態鋰離子電池是下一代儲能系統很有研究價值的解決方案。開發用于現代電子車輛和電網規模能量儲存的最先進的鋰離子（Li-ion）電池，能源密度和安全問題是非常重要的。傳統的正極材料如LiCoO₂，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂和LiFePO₄由于其小于200mAh g^-1的低容量，只能提供有限的能量密度。固態電池需要在60-90℃的高溫下運行，電極的高界面電阻和固態電解質的差的離子傳導性是固態電池的兩個主要挑戰。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的崔屹教授和浙江工業大學的陶新永教授（共同通訊）等人通過一步Pechini溶膠-凝膠法將Al³⁺/Nb⁵⁺共摻雜立方Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）納米顆粒和LLZO納米顆粒修飾的多孔碳泡沫（LLZO@C）進行了合成。與無填料樣品相比，LLZO納米顆粒填充的聚（環氧乙烷）電解質展現出良好的電導率。基于LLZO@C的硫復合正極可以在人體溫度37℃具有>900 mAh g^–1的容量，在50和70℃下分別具有1210和1556mAh g^-1的高容量。

【圖文導讀】

圖1?基于LLZO納米結構的全固態Li-S電池的示意圖

藍色背景表示PEO-LiClO₄固體聚合物電解質，粉紅色和黃色球體分別對應于LLZO和S顆粒，使用LLZO@C基體和PEO粘合劑構建S正極旨在降低S與離子/電子傳導基體之間的界面電阻

圖2?通過一步Pechini溶膠-凝膠法合成的LLZO@C的形貌和顯微組織

（a-c）LLZO @ C樣品的SEM圖像

（d-h）LLZO@C樣品的TEM圖像

（f，h）分別是e中對應于區域A和B的HRTEM圖像

（g）碳泡沫的HRTEM圖像

（i）h中對應于HRTEM圖像的FFT圖案

圖3?LLZO@C樣品的TEM圖像和元素映射

（a）LLZO@C的低倍率TEM圖像

（b）a中由紅色箭頭表示的相應顆粒的高倍率TEM圖像

（c-h）C，O，La，Zr，Al和Nb的元素圖

圖4?LLZO與Li金屬負極穩定性的原位TEM研究

（a）在與Li金屬負極（右）接觸之前，LLZO涂覆的Cu電極（左）的TEM圖像

（b）與Li負極接觸的LLZO的TEM圖像

（c-f）Li運輸時間分別為為5,15,30和60分鐘的形態演化的STEM圖像

（g）從Li金屬負極脫離的LLZO涂覆的Cu電極的TEM圖像

（h）分離后LLZO納米粒子的TEM圖像

（i）在h中LLZO納米顆粒表面的相應HRTEM圖像

圖5?LLZO-PEO-LiClO₄電解質和固態Li-S電池的電化學性能

（a）具有不同LLZO濃度的納米復合材料LLZO-PEO-LiClO₄的導電性

（b）在37℃下具有0.05mA cm^-2的固化密度的S@LLZO@C正極的第1，第20和第80個循環的典型充電/放電曲線

（c）在50℃下具有0.1mA cm^-2的S@LLZO@C和S@C正極的典型充電/放電曲線

（d）在37℃下電流密度為0.05mA cm^-2的S@LLZO@C陰極的循環性能和庫侖效率

【總結】

本文作者通過簡便的一步Pechini溶膠-凝膠法，已經成功地制備了Al³⁺/Nb⁵⁺ 摻雜的立方LLZO和LLZO@C納米結構，經過優化后，在20和40℃下，具有15wt％LLZO的PEO-LiClO 4聚合物電解質分別顯示9.5×10^-6和1.1×10^-4 S cm^-1的高電導率。使用LLZO @ C納米結構作為基體加載S，固態Li-S電池在人體溫度37℃下展示出超過900mAh g^-1的比容量。這些固態電極和電解質的合理設計策略將為下一代儲能開辟新途徑。

文獻鏈接：Solid-State Lithium–Sulfur Batteries Operated at 37 °C with Composites of Nanostructured Li7La3Zr2O12/Carbon Foam and Polymer（Nano Lett.,2017,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00221）

本文由材料人新能源組李倫供稿，材料牛整理編輯。

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