厦门大学Nano Letters：超高负载量的全固态锂硫电池

随着人们对锂离子电池（LIBs）的需求日益增长，对LIBs的要求也越来越高，于是，人们开始追求新型的高能量密度储能系统。其中，锂硫（Li–S）电池由于具有高的理论比容量而引起人们的关注，作为下一代的储能技术。然而，由于穿梭效应、高挥发性和低燃点等问题，导致低的库伦效率、容量的快速衰减、高的自放电及安全问题等。因此，固态电解质由于可以缓解穿梭效应、高速的锂离子传输、高的机械强度及提高安全性而得到广泛的研究。全固态锂硫电池（ASSLSBs）具有优越的电化学性能及高安全性，目前，ASSLSBs仅仅在较低负载量或较低电流密度下具有高放电容量和长循环稳定性，限制了ASSLSBs的实际应用。因此，提高硫电极的负载量以满足ASSLSBs在实际应用中的需求，是目前的主要研究热点之一。

近期，厦门大学杨勇教授与龚正良副教授（共同通讯作者）在Nano Letters 发表题目为“In Situ Generated Li₂S−C Nanocomposite for High-Capacity and Long-Life All-Solid-State Lithium Sulfur Batteries with Ultrahigh Areal Mass Loading”的文章。作者以Li₂S和P₂S₅为原料，通过高能球磨及后续热处理法合成Li₇P₃S₁₁（LPS）固态电解质，以锂金属和二硫化碳，通过完全燃烧合成Li₂S@C的复合物电极，并以此组装为电池进行了一系列表征及电化学性能测试。

 图1. 得到的Li₂S@C复合物的：(a)XRD图谱；(b) SEM；（c）TEM；（d）HRTEM

要点解读：图1a展示了得到的Li₂S@C的XRD图，除了Li₂S的峰，没有其他杂质峰，表明通过燃烧制备了高纯的Li₂S@C的复合物。如图1b、 c、d中可以看到Li₂S与碳形成独特的多孔纳米复合材料结构，其中Li₂S的颗粒直径为50-100 nm，且均匀分布在碳矩阵中，Li₂S的晶面间距为0.202 nm，对应于（220）晶面。

图2. 以Li₂S@C为电极，Li₇P₃S₁₁（LPS）为固态电解质，乙炔黑（AB）为导电剂组装的复合物：(a)SEM；（b）元素的mapping。

要点解读：从图2展现的Li₂S@C-LPS-AB复合物的SEM和元素的分布图，可以得到：LPS均匀包覆在Li₂S颗粒上，使得结构更加紧密，且Li₂S@C、LPS和AB均匀分布在复合物中。

图3. Li₂S的负载量为1.75 mg/cm²的Li₂S@C 复合物在ASSLSBs中的电化学性能（在60 ℃），(a)充放电曲线；（b）在0.2 mA/cm²下的循环性能；(c)倍率性能；(d)不同电流密度下的充放电曲线。

要点解读：图3a为在ASSLSBs中Li₂S@C-LPS-AB复合物正极的充放电曲线，充放电平台分别为2.3 V和2.1 V，对应于ASSLSBs中的固-固二元相变（Li₂S和S）。Li₂S@C呈现1209 mAh/g高的初始放电容量，略高于Li₂S的理论容量（1166 mAh/g），归因于固态电解质LPS的硫化副反应，具有955 mAh/g的放电容量，库伦效率为80%。同时，展现良好的循环性能，初始的容量增加归因于硫的活化，100圈后容量维持在1100 mAh/g（如图3b）。图3c是Li₂S@C复合物的倍率性能曲线，在0.2，0.5，1.0，1.5和2.0 mA/cm²（1142 mA/g）电流密度下，容量分别为1186，1040，937，870和800 mAh/g，当电流密度回到0.2 mA/cm²，容量仍为1186 mAh/g，可以保持稳定循环到100圈。如图3d，随着电流密度的增加电池的极化略有增加，表明了低的转移电荷，有助于高速的反应动力学。

图4. Li₂S的负载量为1.75 mg/cm²的Li₂S@C 复合物在ASSLSBs中的循环性能：(a)在2 mA/cm²下的长循环性能（在60 ℃）；（b）在2 mA/cm²下的不同循环圈数的充放电曲线（在60 ℃）；(c) 在0.5 mA/cm²下的循环性能（在室温下）；（d）在0.5 mA/cm²下的不同循环圈数的充放电曲线（在室温下）。

要点解读：图4a看到Li₂S@C在2 mA/cm²的电流密度下，具有680 mAh/g的稳定容量，700圈后的容量保持率为93%，库伦效率接近100%，表明具有良好的可逆性，图4b不同圈数的充放电曲线几乎重合且没有明显的压降。图4c、d为在0.5 mA/cm²下室温下进行的测试，呈现790 mAh/g的高容量，100圈后的容量保持率为94%，表明Li₂S@C复合物具有良好的循环性能。

图5. 在60℃条件下，高负载量的Li₂S@C纳米复合材料的电化学性能（a）不同Li₂S负载量的Li₂S@C 复合物的充放电曲线；（b）7 mg/cm²的Li₂S负载量的循环曲线；（c）3.5 mg/cm²的Li₂S负载量的倍率曲线；（d）Li₂S@C复合物的电化学性能与已报道的ASSLSBs的对比（详情见表一）。

要点解读：图5a展示了不同的负载量在0.2 mA/cm²的电流密度下的充放电曲线，表明在高负载量的条件下仍然具有高的可逆容量，且随着Li₂S负载量的增加，没有明显的过电位，表明了Li₂S@C复合物出色的电化学活性。在7 mg/cm²的负载量下，呈现1066 mAh/g的可逆容量和接近100%的库伦效率（如图5b）。图5c是在3.5 mg/cm²的负载量下倍率性能曲线，在0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0和5.0 mA/cm²电流密度下，容量分别为819，677，592，531，429，361和282 mAh/g。图5d结合表一展示了本文不同负载量和电流密度下的有效容量和当前已报道的ASSLSBs的性能对比，显然，相比于已报道的Li₂S或硫基材料，Li₂S@C纳米复合材料具有更高的Li₂S的负载量、倍率性能和循环性能。

表一 该工作与其他文献的对比

本文合成的具有超高Li₂S负载和利用率的Li₂S@C-LPS-AB复合物正极材料用于ASSLSBs中，其中独特的Li₂S@C复合物结构，碳包裹在Li₂S颗粒上，提高了Li₂S的导电性和抑制Li₂S的聚集及体积膨胀，纳米的网络可以提供有效的电子和离子传输通道，缓解在嵌锂和脱锂过程中的应力。Li₂S@C复合物正极材料展现了高的容量，出色的倍率性能和循环性能，即使在7 mg/cm²的负载量下，仍然有91%的Li₂S的利用率。因此，本研究为高能量密度的全固态锂硫电池（ASSLSBs）指明了方向，为ASSLSBs的实际应用奠定基础。

In Situ Generated Li₂S−C Nanocomposite for High-Capacity and Long-Life All-Solid-State Lithium Sulfur Batteries with Ultrahigh Areal Mass Loading. Nano Letters(IF=13.07), 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00882 

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00882

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨傲骨

主编丨张哲旭