南策文院士团队EnSM：高电导硫化物/聚合物复合电解质助力高性能全固态锂硫电池！

全固态锂电池(ASSLBs)具有较高的理论容量和良好的安全性，被认为是未来能源存储设备的理想选择。在各种固体电解质中，具有高离子导电性、制备方法方便和低界面阻抗等优点的硫化电解质备受关注。然而含无机固态电解质的ASSLBs通常具有较厚的电解质层(大于1 mm)，这显著降低了电池的能量密度。因此，制备一种具有自支撑性能的低厚度高电导的电解质层是实现高性能ASSLBs的关键。

基于此，清华大学南策文院士和李亮亮副研究员通过液相法制备了一种厚度仅为120 μm且具有自支撑性能的78Li₂S-22P₂S₅玻璃陶瓷(7822gc)/聚合物复合固体电解质膜。在加入锂盐的条件下，该7822gc/PEO或7822gc/PVDF复合电解质的室温电导率可达4–7×10⁻⁴ S cm^-1。该复合电解质膜的面积电导高达59.0 mS cm⁻²，约为纯7822gc电解质片的2.7倍。相关研究内容以“Free-Standing Sulfide/Polymer Composite Solid Electrolyte Membranes with High Conductance for All-Solid-State Lithium Batteries”为题发表在Energy Storage Materials杂志上。

作者首先采用球磨和热处理的方法制备了78Li₂S-22P₂S₅玻璃陶瓷，其离子电导率为1.78×⁻³ S cm⁻¹。然后利用不同的溶剂和聚合物制备了不同比例的复合电解质膜，并进行了结构表征和电化学性能测试。表一比较了制备的不同成分及比例的复合电解质的离子电导率。

表1 样品的化学组成和离子电导率

随后作者通过XRD对制备的电解质膜进行了结构表征，图1（a）是以甲苯为溶剂制备的7822gc/PEO复合电解质的XRD图谱。纯PEO样品的衍射峰分别为19.3°、21.5°和23.6°。对于复合电解质，仅在具有较高PEO浓度的7822-8020观察到这些峰。其余复合电解质和7822gc的XRD图谱相似。在17.7°、25.8°、29.7°附近观察到高导电率的衍射峰和Li₂S相。经过甲苯处理和干燥处理后，在17.7°和29.7°附近的衍射峰分裂为两个峰。图1（b）是以乙酸乙酯为溶剂制备的复合电解质的XRD图谱，其结果与甲苯溶剂类似。

图1. 7822gc、复合电解质和聚合物电解质的XRD图谱

复合电解质在室温下的Nyquist图如图2（a）所示，当PEO浓度从20 wt.%降低到3 wt.%时，样品的电导率从1.36×10⁻⁶急剧增加到3.86×10⁻⁴ S cm⁻¹。7822-9703样品的电导率甚至可以与78Li₂S·22P₂S₅玻璃相电解质的电导率相媲美，但是和纯硫化物电解质一样易碎。为了进一步提高离子电导率和机械强度，在复合物中加入了LiTFSI。如图2（b）所示，7822-peo-LiTFSI-9505的离子电导率可达5.31×10⁻⁴ S cm⁻¹，超过7822-peo-9505电导率的两倍。厚度为120 μm的7822gc/PVDF复合膜的Nyquist图如图2（d）所示，7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC复合电解质膜的离子电导率高达7.07×10⁻⁴ S cm⁻¹。

图2. 不同厚度复合电解质膜的Nyquist图，（a-c）0.5 mm，（d）0.12 mm

本工作的核心目标是获得比厚7822gc电解质片表面电导更大的复合电解质薄膜。因此还测试了厚度分别为120±5、250±5、520±10和800±10 μm的硫化物/聚合物复合电解质膜的面积电导，其结果如图3所示。当厚度降低至∼120 μm时，7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC的面积电导高达59.0 mS cm⁻²，约为7822gc电解质片的2.7倍，7822-peo-LiTFSI-9505和7822-pvdf-LiTFSI-9505-EAC的面积电导也超过36.0 mS cm⁻²。

图3. 复合电解质膜和7822gc电解质片的面积电导随厚度的变化图

最后，作者利用S-CNT复合粉体和7822gc粉末球磨后的混合产物作为正极，Li-In合金作为负极制备了S-CNT||7822-peo-LiTFSI-9505||Li-In、S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9505-EAC||Li-In和S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC||Li-In电池，并测试了其在室温下的充放电性能。

7822-peo-LiTFSI-9505-thick所用的电解质厚度为520±10 μm，而7822-peo-LiTFSI-9505-thin所用电解质的厚度为120±5 μm。由图4（a）可知，S-CNT||7822-peo-LiTFSI-9505-thick||Li-In电池循环100圈后，容量缓慢下降到约637.9 mAh g⁻¹，容量保留率在77.9 %（相对第三圈）；而S-CNT||7822-peo-LiTFSI-9505-thin||Li-In电池循环100圈后，容量缓慢下降到约725.1 mAh g⁻¹，容量保留率在93.2 %（相对第三圈）。S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9505-EAC||Li-In和S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC||Li-In电池也表现出相同的趋势。总体而言，用120±5 μm的7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC电解质组装成的电池具有最佳的性能，这主要归功于薄的电解质层和高的离子电导率。

图4. （a）S-CNT||7822-peo-LiTFSI-9505||Li-In和（c）S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9505(9703)-EAC||Li-In全固态电池的循环性能曲线；（b）S-CNT||7822-peo-LiTFSI-9505||Li-In的电压容量曲线，（d）S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9505(9703)-EAC||Li-In的电压容量曲线

本工作利用一种新的液相法合成了薄且具有高电导率的硫化物/聚合物复合电解质膜。该方法可形成原位衍生的聚合物基体，并填充在硫化物电解质颗粒之间的空隙中。当聚合物浓度从20 %下降到5 wt.%时，在硫化物颗粒中的聚合物形貌也由板条状微纤维转变为纳米晶须，并且复合电解质的离子电导率提高了两个数量级。7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC复合电解质膜的离子电导率高达7.07×10⁻⁴ S cm⁻¹，面积电导高达59.0 mS cm⁻²，约为7822gc电解质片的2.7倍。S-CNT||7822-pvdf-LiTFSI-9703-EAC||Li-In电池的百次循环容量仍大于700 mAh g⁻¹，容量保留率超过90 %。这一结果表明，利用液相法制备高导电性的薄层硫化物/聚合物复合电解质膜是一种有效的方法，而高导电性的复合电解质层对提高ASSLSBs的能量密度至关重要。

Free-Standing Sulfide/Polymer Composite Solid Electrolyte Membranes with High Conductance for All-Solid-State Lithium Batteries. (Energy Storage Materials, 2019, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.10.020)

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310165#fig7