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高临界电池密度Li2S–SiS2–B2S3基固态电解质设计制备及其界面层生长机制研究
作者: irglass 时间: 2023-09-01 浏览:434 次

       近日,我室硕士研究生张家辉、高成伟助理研究员、林常规研究员等在期刊“Advanced Energy Materials(IF= 29.698)”发表了题为“Unveiling the Growth Mechanism of the Interphase between Lithium Metal and Li2S-P2S5-B2S3 Solid-State Electrolytes”的论文(Adv. Energy Mater., 13: 2204386.)。文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202204386

       硫系固态电解质离子电导率高、延展性好且与锂金属负极(3860 mAh g-1)的相容性好,能实现更高能量密度更安全的全固态电池,得到了学术界和工业界的广泛关注。然而目前硫系固态电解质难以抑制锂枝晶生长,即电池在较高电池下锂枝晶生长会穿透固态电解质并造成内短路,限制了电池的功率密度。

       基于课题组的已完成的工作和现有的报道,我们提出将B作为第二种玻璃网络形成体,这一方面利用混合玻璃网络形成体效应提升离子电导率;另一方面,在电子电导率极低的情况下,B极难与锂金属发生合金化反应,可以阻碍锂枝晶的生长,因此将Li2S-P2S5-B2S3固态电解质的临界电池密度提升到创记录的1.65 mA cm-2。同时为了避免原料易与石英安瓿瓶反应并提高制备效率,本工作先通过高能球磨法将原料转变为中间态,再对其进行短时间的熔融淬冷,结合二者的优势,成功制备了Li2S-P2S5-B2S3硫化物固态电解质。

       但Li2S-P2S5-B2S3电解质的本征电化学稳定性有限,在与金属锂循环时会生成界面层,该界面层是影响电池性能的重要因素。因此,本工作结合原位拉曼、原位电化学阻抗及XPS分析,提出了“多层马赛克”界面层模型,说明了界面层结构和化学组成的不均匀是其持续生长的主要原因。

图1  固态电解质与锂金属之间的“多层马赛克”界面层模型

图2  Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-B2S3球磨和球磨-熔融制备的固态电解质临界电池密度。

图3  球磨-熔融法制备Li2S-P2S5-B2S3电解质的示意图。