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清华深研院 Adv. Fun. Mater. 固态锂硫电池的研究现状和展望

锂硫电池由于具有能量密度高、成本低和无毒性的特点,是电动汽车进一步发展最有应用前景的储能器件之一。然而,锂硫电池充放电过程中多硫化物的穿梭效应导致其循环稳定性显著降低。锂金属作为锂硫电池不可缺少的负极材料,由于锂枝晶的不可控生长引起严重的安全问题。用固态电解质替代液体电解液可以有效解决上述问题。近日,清华大学深圳研究生院能源与环境材料创新团队贺艳兵副教授等在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Progress and Perspective of Solid-State Lithium-Sulfur Batteries” 综述论文。论文概述了固态电解质在解决锂硫电池多硫化物溶解与穿梭效应和锂金属负极锂枝晶方面的最新研究进展,同时对如何克服固态电解质自身缺陷如低室温离子导电率和高界面阻抗的策略进行了分析。最后,文章展望了高性能固态锂硫电池的未来研究方向和应用前景。

固态电解质包括凝胶聚合物电解质、全固态聚合物电解质、陶瓷固态电解质、有机无机复合固态电解质。各种固态电解质在抑制多硫化物穿梭效应以及锂枝晶生长方面各具特点。凝胶聚合物电解质在室温下具有与液体电解质相同数量级的离子电导率,且其与硫正极能够很好的接触,并构建一个相容性高的凝胶聚合物电解质/电极界面,有效地保护硫正极,抑制多硫化物的穿梭。然而,凝胶聚合物电解质由于其机械强度较低,一般不能抑制锂枝晶。因此,设计具有密实结构或与ZrO2、TiO2、SiO2等无机颗粒复合的凝胶聚合物电解质,可以提高其对锂枝晶生长的抑制作用。由于全固态聚合物电解质在室温下的离子电导率很低,所以应用全固态聚合物电解质的锂硫电池必须在高温下工作,但是多硫化物在高温下在聚合物电解质的溶解度较高,因此固态聚合物电解质难以有效抑制多硫化物在高温下的穿梭效应。在固态聚合物电解质中加入TiO2、Al2O3、ZrO2等无机填料,可以降低其玻璃化转变温度和结晶度,从而有效提高室温离子电导率和机械强度,能够在一定程度上降低聚合物复合固态电解质锂硫电池的工作温度,且其无机填料对多硫化物具有良好的吸附作用,能够有效抑制多硫化物的穿梭效应,但仍然不足以使其在室温下运行。陶瓷电解质可以有效抑制多硫化物的穿梭效应,然而,陶瓷电解质/电极界面存在巨大的阻抗,导致电池极化增大。此外,锂枝晶在陶瓷电解质中更倾向于沿着晶界和电解质内的空隙生长,且其生长速度比在传统的液体电解液中更快。所以提高陶瓷电解质结构的致密度,改善陶瓷电解质/电极界面接触,可以加快电化学反应速率、减小极化。利用陶瓷/聚合物复合电解质能有效抑制多硫化物的穿梭效应,同时改善界面接触,抑制锂枝晶的生长和穿刺现象。然而,陶瓷/聚合物复合电解质依然受限于聚合物基体较低的离子电导率,使得锂硫电池只能在高温下工作。综上分析,由于固态电解质对多硫化物的抑制作用,锂硫电池的比容量可以得到有效提高。但是由于固态电解质离子电导率较低和界面电阻较高,因此其循环性能和倍率性能相对较差。目前,固态锂硫电池面临的主要挑战是固态电解质/电极一体化集成,使锂离子在电极和电解质界面快速传输,且具有稳定的固态电解质/电极界面,同时有效固定多硫化物和抑制锂枝晶生长。用软性的无机电解质填充硬质的无机电解质晶界和孔洞有望制备致密结构高离子电导率“无机-无机”复合固态电解质,同时满足抑制多硫化物的穿梭效应和锂枝晶生长的要求,并与硫正极和锂金属构筑良好的界面。深入研究和发展以无机固态电解质为主体的新型复合固态电解质及其界面构筑策略,将有利于推动固态锂硫电池的基础研究和工业化进程。

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图1. (a)抑制多硫化物穿梭的传统策略分类;(b)多硫化物在TiO2、TiN以及TiO2和TiN多级结构表面的转化过程示意图;(c)采用商业化隔膜和黑鳞修饰隔膜的锂硫电池示意图;(d)基于陶瓷固态电解质的锂硫电池示意图。

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图2. 固态锂硫电池的发展趋势示意图。

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Jane

主编丨张哲旭


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