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中科院在全固態(tài)鋰硫電池研究方面取得進(jìn)展

   2017-06-22 寧波材料技術(shù)與工程研究所8090
核心提示:采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機(jī)電解液的全固態(tài)鋰硫電池,能夠有效抑制多硫化物的產(chǎn)生,從而消除其穿梭效應(yīng),并能大幅提高其安全性,是未來(lái)鋰硫電池發(fā)展的重要方向。
鋰硫電池被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮吣芰棵芏葍?chǔ)能器件之一,其正極材料單質(zhì)硫的理論比容量和比能量可高達(dá)1675 mAh/g和2567 Wh/kg,是目前商用鋰過(guò)渡金屬氧化物正極的五倍。然而,傳統(tǒng)鋰硫電池的安全性與循環(huán)性能差是其面臨的主要挑戰(zhàn),嚴(yán)重影響了商業(yè)化進(jìn)程。采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機(jī)電解液的全固態(tài)鋰硫電池,能夠有效抑制多硫化物的產(chǎn)生,從而消除其穿梭效應(yīng),并能大幅提高其安全性,是未來(lái)鋰硫電池發(fā)展的重要方向。
 
盡管全固態(tài)鋰硫可以解決目前傳統(tǒng)鋰硫電池面臨的問(wèn)題,然而其帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),如固-固界面問(wèn)題以及應(yīng)力/應(yīng)變等效應(yīng)導(dǎo)致的電池容量衰減等問(wèn)題,是影響全固態(tài)鋰硫電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵。近日,中國(guó)科學(xué)院寧波材料與工程研究所固態(tài)鋰電池團(tuán)隊(duì)研究員姚霞銀領(lǐng)導(dǎo)的小組與美國(guó)馬里蘭大學(xué)合作,設(shè)計(jì)了一種新型硫正極結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰硫電池,通過(guò)在還原氧化石墨烯上沉積超?。▇2nm)非晶態(tài)納米硫?qū)颖3謴?fù)合材料的高的電子傳導(dǎo)率,進(jìn)而將還原氧化石墨烯/硫復(fù)合材料均勻分散在超鋰離子導(dǎo)體Li10GeP2S12基復(fù)合材料中,從而實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和低的應(yīng)力/應(yīng)變。以上述還原氧化石墨烯/硫復(fù)合材料-Li10GeP2S12-乙炔黑混合物作為正極層,Li10GeP2S12/改性Li3PS4雙層電解質(zhì)作為固態(tài)電解質(zhì)層,金屬鋰為負(fù)極組裝全固態(tài)鋰硫電池,其充放電曲線與傳統(tǒng)鋰硫電池截然不同,只有一對(duì)充放電平臺(tái),顯著抑制了多硫化物的產(chǎn)生。
 
60°C條件下,0.05C首次放電容量為1629 mAh/g,首次庫(kù)倫效率達(dá)到90%;同時(shí)顯示出優(yōu)異的倍率性能,在0.1C,1.0C和2.0C不同倍率進(jìn)行充放電,發(fā)揮出1384.5,903.2和502.6 mAh/g的可逆容量;1.0 C大倍率長(zhǎng)循環(huán)充放電下,循環(huán)750圈后仍可以保持830 mAh/g的可逆容量,電池單次循環(huán)容量衰減率僅為0.015%,表現(xiàn)出比傳統(tǒng)鋰硫電池顯著提升的循環(huán)性能。
 
相關(guān)工作發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials,2017,doi: 10.1002/aenm. 201602923)。
 
上述研究工作得到了中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA09010201)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51502317)、中科院青年促進(jìn)會(huì)(2017342)等項(xiàng)目的支持。
 
 
全固態(tài)鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖及電池性能
 
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