1. 首页
  2. 学术动态
  3. 原创文章

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

Towards Reliable Li-metal-free LiNO3-free Li-ion Polysulphide Full Cell via Parallel Interface Engineering

Ju Suna, Jiaxing Lianga, Junnan Liub, Wenyan Shia, Neeraj Sharmab, Wei Lvc, Ruitao Lvd, e, Quan-Hong Yangf, Rose Amala, Da-Wei Wanga*

近期,新南威尔士大学王大伟(通讯作者)及其团队其他成员在Energy & Environmental Science期刊上发表题为“Towards Reliable Li-metal-free LiNO3-free Li-ion Polysulphide Full Cell via Parallel Interface Engineering”的文章,其中第一作者孙菊。作者通过平行界面工程(PIE),利用铝锂合金作负极,水热碳@碳布(HTC-CC)作正极,实验中避免了使用锂金属负极及硝酸锂稳定剂,极大地抑制了锂枝晶的生长,促进了锂硫化物的均匀沉积,提高了硫的利用率,提高了电池的电化学性能。

【研究背景】

锂硫电池由于具有其成本低、理论容量高、能量密度高等优点而在未来储能领域发挥重要作用。然而,锂硫电池目前仍存在诸多问题,例如循环过程中容量下降,锂枝晶生长导致电池不稳定,甚至产生安全隐患。为解决上述问题,作者通过采用平行界面工程,设计了改性的碳布使Li2S均匀沉积,用作正极可提高硫的利用率;同时利用铝锂合金作负极,可避免使用LiNO3负极表面稳定剂,抑制锂枝晶生长,延缓多硫化物的消耗。结果表明:与锂金属负极相比,铝锂合金负极的界面稳定性得到了极大的提高;经过改性的碳布可以促进Li2S膜的均匀沉积,促进电荷传输;无LiNO3时,锂离子多硫化物全电池仍有很高的电容(1050 mAh/g 0.2 C),循环100圈后,容量仍保持有500 mAh/g, 库伦效率接近100%。

【图文解析】

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图1:表面化学对Li2S沉积的影响。(a)表面含Al2O3的商业碳布利用“亲硫”位点通过极性作用优先沉积Li2S,(b)水热改性含均匀碳的HTC-CC上的氧官能团,可使Li2S膜均匀地沉积。SEM显示了在CC和HTC-CC上沉积的Li2S的形貌。

碳表面化学对硫化锂的沉积有很大的影响,由图可以看出,相比于商业碳布,经过水热改性的HTC-CC可以使Li2S4的沉积更加均匀,从而促进电荷传输。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图2:(a)CC的XPS全谱,(b)HTC-CC的XPS全谱(c)CC的O 1s谱图,(d)HTC-CC的O 1s谱图,(e)CC的SEM 图,内插图为EDS谱图, CC表面元素分布的(f)二级电子图,(g)碳,(h)铝,(i)氧。

从XPS和EDS谱图上可以看出,相比于水热改性的HTC-CC,在CC上明显有Al2O3的存在。由此可以解释,在放电过程中,由于Al3+亲硫,O2-亲Li+, Li2Sn与碳和Al2O3之间的相互作用不同导致Li2S不均匀地沉积(由图1a也可看出),而水热改性的HTC-CC由于表面有均匀的碳包裹,多硫化物可以较为温和地均匀沉积下来。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图3:(a)CC的拉曼谱图,(b)HTC-CC的拉曼谱图,(c)CC和HTC-CC的I(D)/ I(G)值,(d)CC和HTC-CC的横向石墨微晶尺寸。

由上面谱图及相应分析可以得出:相比于CC,HTC-CC的带宽更窄,石墨化程度更高,无定形结构程度更低,表面缺陷更少,可以有效地促进电子转移,此外,碳表面上缺陷密度的减小也可以使锂多硫化物的成核位点更加均匀。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图4:铝锂合金和锂金属在多硫化物溶液中的界面稳定性。(a)浸入锂多硫化物溶液中后,金属锂表面SEI膜及锂枝晶的形成示意图,SEM图显示了浸没的锂箔的多孔网状结构。(b)浸入锂多硫化物溶液中后,稳定的铝锂合金界面的示意图。界面的稳定性可能是由于在合金化过程中形成了SEI膜保护层,SEM图显示了浸没的铝锂合金的致密的网状结构。

由上图可以看出,相比于金属锂,铝锂合金在没有LiNO3的多硫化物溶液中,显示出超强的界面稳定性。这可能是由于金属锂在多硫化物中活性高,又没有LiNO3辅助钝化表界面所致,而在合金化形成铝锂合金过程中,由于形成了SEI膜,可以抑制锂枝晶的产生,起到保护作用,从而使界面稳定。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图5:(a)0.01 mA cm-2下,铝锂合金的XRD谱图(左)和伏安曲线(右),(b)3个对应铝锂合金相的峰拟合参数,(c-f)铝锂合金的C 1s, O 1s, F 1s, P 2p的XPS谱图。

从上图也可以分析出,在铝锂合金形成的合金化过程中,可以在表面形成SEI膜(主要成分是LiF),且在以后的循环过程中得到新行程的SEI膜可以得到进一步的稳定。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图6:(a)锂金属(b)铝锂合金在浸入正极电解液中后的XPS元素深度图,(c)锂金属和铝锂合金的含硫量深度比较图。

由上图分析可知,锂硫化物沉积主要发生在金属锂的次表面,且SEI膜相对较深地渗透到金属锂的体相内,活性较高的金属锂与电解质反应使得SEI膜形成并造成了多硫化物的消耗,导致结构坍塌造成相转换,体积膨胀,空洞形成;而对于铝锂合金,表面则有着非常薄的SEI膜及锂硫化物,不可逆的多硫化物沉积被极大地抑制。

这些结果均表明利用铝锂合金作锂硫电池的负极,可以极大地抑制枝晶的形成,减小硫的消耗。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图7:(a)铝锂合金作负极,HTC-CC做多硫化物集流体制备的全电池示意图,Al-Li | CC和Al-Li | HTC-CC 全电池在0.2 C条件下(b)第10圈充放电曲线,(c)倍率性能,(d-f)Al-Li | CC和Al-Li | HTC-CC 全电池在第1,2,3,5,10放电循环后的EIS测试,(d)电荷传递电阻,(e)界面电阻,(f)3次的EIS测试。

由上图分析可以看出,Al-Li | HTC-CC 全电池有较高的硫利用率和伏安效率,表现出更小的极化与超高的倍率性能。此外,经EIS测试可以看出,HTC-CC的导电性较CC得到了很大的提升,Al-Li | HTC-CC的界面电阻,点和传递电阻均明显减小。

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

图8:无金属锂,无硝酸锂的锂离子多硫化物电池的电化学性能。(a)Al-Li | HTC-CC和Li | HTC-CC的自放电测试, Al-Li | HTC-CC,Li | HTC-CC,Al-Li | CC的(b)库伦效率(c)循环稳定性。

由上图的电化学性能测试可以看出,利用铝锂合金作负极可以减小电池的自放电,库伦效率仅仅100%,且能电池的稳定性也得到提高。

【亮点及结论】

文章作者利用平行界面工程,利用铝锂合金做负极,水热改性的碳布HTC-CC作正极,极大地抑制了枝晶的生长提高了负极界面的稳定性,且使得Li2S的沉积更加均匀化,提高了电池的效率,使得全电池在避免使用LiNO3的条件下仍有好的伏安效率,高的硫利用率,极大地提高了电池的电化学性能

【文献信息】

Towards Reliable Li-metal-free LiNO3-free Li-ion Polysulphide Full Cell via Parallel Interface Engineering. Energy Environ. Sci., 2018, DOI:10.1039/C8EE00937F.

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/EE/C8EE00937Futm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+rss%2FEE+%28RSC+-+Energy+Environ.+Sci.+latest+articles%29#!divAbstract

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 攀

主编 | 张哲旭


我们来自清华,服务世界,汇各路英才,谋学术大事。

科研交流,文献解读,顶刊追踪,经典干货,

只要你足够优秀,

我们提供广阔的平台,丰厚的稿酬,戳我加入清新电源编辑部

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

清新电源投稿通道(Scan)

欢迎读者加入

清新电源官方QQ:86931315

▶ 添加备注:姓名+单位+研究方向

▶ 清新电源-文献互助群 608599704

▶ 清新电源-学术交流群 332591118

新南威尔士大学王大伟EES:利用平行界面工程制备无金属锂、无硝酸锂的锂离子多硫化物全电池

本文由清新电源原创,作者攀,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/143360.html

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code