高界面稳定性Li2S–SiS2–P2S5-LiI基固态电解质设计及制备研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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高界面稳定性Li2S–SiS2–P2S5-LiI基固态电解质设计及制备研究
作者: irglass 时间: 2023-02-23 浏览:614 次

       近日,我室高成伟助理研究员、研究生张家辉、林常规研究员等在期刊“ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383)”发表了题为“Enhancing the Interfacial Stability of the Li2S–SiS2–P2S5 Solid Electrolyte toward Metallic Lithium Anode by LiI Incorporation” 的论文(15, 1392-1400, 2023)。文章链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c19810

       能源安全与环境治理是二十一世纪人类面临的两个重要挑战,使用清洁的锂离子电池可以有效降低化石燃料燃烧带来的环境污染。然而目前商用的锂离子电池因使用液态电解质而易发生燃烧和爆炸,有极大的安全隐患,全固态电池采用了固态电解质,热稳定性好,不易燃烧,且与锂金属负极(3860 mAh g-1)的相容性好,能实现更高的能量密度,约是石墨负极(372 mAh g-1)的10倍,得到了学术界和工业界的广泛关注。然而全固态电池在循环过程中也不可避免地发生锂枝晶生长,穿透固态电解质(SSE),使电池短路失效。此外,锂枝晶缠绕或断裂形成的“死锂”可造成电池容量严重衰减。

       本工作选择了成玻性能较好的60Li2S-28SiS2-12P2S5作为基质玻璃,在其中加入了LiI,制备了一系列(100-x)(60Li2S-28SiS2-12P2S5)-xLiI(x=0、10、20、30和40)玻璃电解质,系统性研究了卤素I对基质玻璃电化学传输能力,界面稳定性的影响。图1为Li2S-P2S5-SiS2-LiI的奈奎斯特图和直流偏压曲线,LiI掺杂的SSE表现出更小的阻抗,到30LiI达到峰值,为1.74 mS cm-1。且所有制备的SSE显示出10-8S cm-1范围内的电子电导率,这种低电子传导能力满足了实际应用中全固态电池对SSE电子阻断能力的要求。图2为Li2S-P2S5-SiS2-LiI的恒流充电/放电循环,随着LiI的引入,其临界电流密度在30LiI时达到最大,为0.85 mA cm-2,保证了其高电流密度下的功率性能。同时,高温工作是SSE的优势之一,在65℃温度下30LiI的CCD达到了1.65mA cm-2,在0.1 mA cm-2的长循环下,30LiI SSE稳定循环了350 h且电压曲线基本没有发生波动,没有明显的界面退化或枝晶形成。结果表明通过LiI掺杂的SSE可以抑制锂枝晶的生长,即使在长时间循环后,LiI掺杂的SSE也能确保与锂金属电极之间良好的界面接触,有应用于全固态电池的潜力。

图1  Li2S-P2S5-SiS2-LiI的(a)奈奎斯特图;(b)0.1V电压下对称电池直流偏压曲线

图2  Li/SSEs/Li对称电池的恒流充电/放电循环。(a)Li2S-P2S5-SiS2-LiI的临界电流密度与组分之间的关系;(b)室温下base的CCD;(c)室温下30LiI的CCD;(d)65℃下30LiI的CCD;(e)base和30LiI在0.1mA cm-2电流密度下的长循环,每个充电和放电步骤的时间为0.5h。