北科ACS AMI: Li10SnP2S12硫化物固体电解质助力全固态锂硫电池

youyoucao 5年前 (2019-09-24) 3910浏览

【引言】

全固态锂硫电池（ASSLSBs）因高能量密度（2600 Wh kg-1）和高安全性被视为最下一代最具潜力的储能电池之一。固体电解质作为固态电池的核心起着举足轻重的作用，其中，硫化物电解质因具有超高的离子电导率而备受关注。Li10SnP2S12作为Li10GeP2S12的替代物，在兼具高离子电导率的同时，还具有易于制备，成本相对低廉的优势，进而在全固态锂硫电池中展示出巨大的应用潜力。

【成果介绍】

近日，来自北京科技大学范丽珍教授通过简单的高能球磨和热处理相结合的方法制备了Li10SnP2S12陶瓷固体电解质，探究了电解质电导率及活化能随热处理温度变化的演变规律，另外，采用高能球磨方法制备了S-C-Li10SnP2S12复合正极，该复合正极物相分散均匀，具有良好的循环可逆性，以Li10SnP2S12为电解质组装的全固态锂硫电池展现出良好的循环和倍率性能，循环过程中也具有较高的可逆容量和库伦效率。进而通过实验展示了Li10SnP2S12电解质在全固态锂硫电池中良好的应用前景。该工作为高离子电导率硫化物电解质在高能量密度全固态电池中的应用提供了推动作用。该研究成果以“High Capacity and Superior Cyclic Performances of All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries Enabled by High-Conductivity Li10SnP2S12 Solid Electrolyte”为题发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

【图文导读】

图1  全固态S-C|Li10SnP2S12|Li-In电池结构示意图

        

图2  Li10SnP2S12电解质物相及电导率表征

(a)球磨样品在不同烧结温度下热处理2h后的XRD图谱; 

(b) Li10SnP2S12电解质的晶体结构;

(c) Li10SnP2S12样品的活化能，离子电导率与热处理温度的关系;

(d)在不同烧结温度下合成的Li10SnP2S12样品的阿伦纽乌斯曲线;

图3  Li10SnP2S12电解质的形貌表征

(a) Li10SnP2S12电解质片的直径；

(b) Li10SnP2S12电解质片的厚度；

(c) Li10SnP2S12电解质粉的SEM图像；

(d) Li10SnP2S12电解质粉的元素分布图像；

图4  Li-In/Li10SnP2S12/SS电池CV表征

图5  复合正极中不同硫含量循环性能比较

(a) 不同硫含量的复合正极第一圈循环释放容量对比；

(b) 不同硫含量的复合正极在不同循环圈数下循环容量对比；

S-C-Li10SnP2S12复合正极制备；首先，单质硫与 Super P 碳以质量比 2:1混合后在370 rpm转速下球磨5 h，而后加入Li10SnP2S12电解质，三者质量比分别为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以保证混合均匀，所有的操作均在氩气气氛下进行。

图6  S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的CV曲线

图7  S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的电化学性能

(a) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在第1圈，第10圈，第50圈的充放电曲线;

(b) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs的循环容量曲线;

(c) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在不同电流密度下的充放电曲线;

(d) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在不同电流密度下的循环容量；

图8  S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs循环前后阻抗及横截面形貌

(a) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs第1圈和第50圈循环后电池的阻抗;

(b) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs循环之前断面图;

(c) S-C|Li10SnP2S12|Li-In ASSLSBs在50圈循环后断面图;

【小结】

该研究工作通过简单的球磨加热处理工艺制备了高电导率的Li10SnP2S12硫化物电解质。在室温条件下，该电解质的离子电导率为3.2×10-3 S cm-1，进一步的研究了热处理温度对Li10SnP2S12电解质电导率及活化能的影响，此外，采用高能球磨的方法制备了S-C-Li10SnP2S12复合正极，以Li10SnP2S12为固体电解质组装的全固态锂硫电池在电流密度为40mA g-1条件下，初始容量高达1601.7 mAh g-1，循环过程中也具有较高的可逆容量和库伦效率。该工作展示了Li10SnP2S12电解质在全固态锂硫电池中的巨大应用潜力，为高离子电导率的硫化物电解质在全固态电池中的应用打下了坚实的基础。

本文第一作者为北京科技大学博士生伊竟广，通讯作者为范丽珍。本成果是在国家自然基金((51532002和51872027)、北京市自然基金（L172023 和 L182019）和国家基础研究计划（2018YFB0104300）的资助下完成。

文献链接：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.）

本文由北京科技大学范丽珍教授课题组供稿。

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