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全固态锂电制备新工艺

全固态锂电制备新工艺

大型全固态锂离子电池(ASLBs)相比于传统锂离子电池具有高安全性能和能量密度。硫化物固态电解质(SE)由于具有高的电子导电性和可塑性,成为大型ASLBs发展的关键。目前,常见的电极制备是在干燥条件下把活性材料、SE和导电剂混合。 然而,从实际应用来看,添加聚合物粘合剂对于获得可加工的片状电极是必需的,目前常用湿法浆料溶解聚合物粘结剂制备电极。然而,硫化物材料与普通极性溶剂间的严重反应以及电解质的颗粒性质给湿法浆料过程制备ASLBs带来一系列严重问题,如溶剂和聚合物粘合剂的可用性以及离子接触网络的形成。因此,由于溶剂和聚合物粘合剂的选择受限以及离子渗透的限制,湿法浆料过程制备ASLB电极更复杂;并且,在电极制造过程中SE颗粒会带来离子接触不良的问题。

近期,韩国蔚山国立科技大学Yoon Seok Jung等人报道了一种新的、可大规模应用的全固态电池电极制备工艺利用均匀SE溶液(Li6PS5Cl/EtOH或者0.4LiI−0.6Li4SnS4/MeOH)渗透传统LIBs电极。液态LPSCl渗透到LIB电极的曲折多孔结构中并固化提供紧密的离子接触和有利的离子渗透。该工艺制备的电极,电化学性能不仅优于传统的干混和浆液混合ASLB电极,还与液态电解质电池相当;其不仅在30℃下表现出优异性能,即使在100℃下依旧保持优异的性能,体现出ASLBs优异的热稳定性和安全性。该成果发表在Nano Lett. (IF: 13.779)。

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图1.溶液态SEs渗透传统LIB复合电极的示意图

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图2.SE (LPSCl)渗透LCO和石墨电极的表征。a) 拉曼图谱,b) 渗透前和渗透后LCO和石墨的XRD图谱,c) LPSCl渗透LCO电极的截面SEM和相应EDX元素面分布,d) LPSCl渗透LCO电极的截面HRTEM及相应元素面分布


作者利用该工艺,制备了LPSCl渗透的LCO和石墨电极。电极的截面SEM图像表明,由于液态SEs优异的渗透性和SEs的可塑性,SEs完美地占据了活性材料间的空隙;EDX元素面分布也表明LCO和LPSCl间的良好接触。随后,分别研究了LCO半电池和石墨半电池在30℃下的电化学性能。在3.0-4.3V电位窗口下,SE渗透LCO电极表现出高的可逆容量141mAh/g,与液态电池(LE-电池)相当。SE渗透石墨电极在0.005-2.0V电位窗口下,其可逆容量为364mAh/g高于液态电池(312mAh/g)。此外,LPSCl渗透的LCO和石墨电极组分不同时的倍率性能表明,减少PVDF的量有助于提升LPSCl和活性材料间的离子接触;而减少导电剂的量,会导致电子传输路径的不足,使倍率性能衰减

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图3. LPSCl渗透的LCO和石墨电极分别组装成半电池在30℃时的电化学性能。a,b) LCO和石墨电极在液态电解质和全固态电解质状态下,0.1C电流密度时的充放电曲线(插图为未经过SE渗透的LCO全固态电池性能),c,d) LCO和石墨电极在全固态电池中的倍率性能,e,f) LCO和石墨电极在全固态电池中的电化学阻抗(电极组成比例为活性材料:PVDF:SP)


随后,作者用LPSCl渗透的LCO和石墨电极组装成全电池。在30℃、2.0-4.3V电位窗口、0.1C电流密度下可逆容量为117mAh/g,并且表现出优异的倍率和循环性能。作者同样测试了其在100℃下的电化学性能,在24C电流密度下其可逆容量为65mAh/gLCO,在6C电流密度下循环100次后容量保持率为82%

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图4. LCO/石墨 ASLBs全电池在30和100℃时的电化学性能。全电池在30℃、0.1C电流密度下,SE层厚度~600μm a)和~70μm b)时的充放电曲线,c) 全电池在100℃时不同电流密度下的充放电曲线,d) 全电池在100℃、6C电流密度下的循环性能


尽管该合成工艺制备的电池电化学性能还不能和目前商业化的锂离子电池竞争,但其给全固态锂离子电池的发展提供了新的实用工艺。

这篇文章和前天推的Goodenough的文章有异曲同工之妙,都是改善了活性物质颗粒间碱金属离子的传输能力,降低了界面电阻。有兴趣的朋友可点击查看:Goodenough|一种塑性-晶体电解质界面材料用于全固态钠离子电池

 

Dong Hyeon Kim, Dae Yang Oh, Kern Ho Park, Young Eun Choi, Young Jin Nam, Han Ah Lee, Sang-Min Lee, Yoon Seok Jung, Infiltration of Solution-Processable Solid Electrolytes into Conventional Li-Ion-Battery Electrodes for All-Solid-State Li-Ion Batteries, Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00330

 

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