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Nano Lett. |全固态锂离子电池获得巨大突破

《中国制造2025》节能与新能源汽车重点领域技术路线图中明确指出,2025年之前要实现宽温度、长寿命全固态子电池的技术突破并实现产业化。其中,最具代表性的是高能、高功率密度和高安全的全固态锂离子电池。但是,电极与电解质不理想的界面兼容性导致锂离子转移速率慢,成为全固态锂电池所面临的巨大挑战。提高正极与电解质的接触紧密度以及离子电导率是高性能全固态锂离子电池实现突破的关键所在

Nano Lett. |全固态锂离子电池获得巨大突破
图1《中国制造2025》节能与新能源汽车重点领域中能源存储系统技术发展规划

 近日,来自中科院宁波材料技术与工程研究所的Xiaoxiong Xu和物理所的Yong-Sheng Hu共同合作研发出一种常规的界面结构,即利用原位液相法将Li7P3S11电解质颗粒锚定到硫化钴(cobalt sulfide; Co9S8)纳米片上。该成果发表在国际顶级期刊Nano Lett.(IF=13.779,2016年)上。所合成的Li7P3S11电解质颗粒直径大小约为10nm,是至今报道的最小的含硫电解质颗粒。这可以改善电解质与活性物质的接触面积以及接触紧密度。另外,采用同样的合成方法,所得到的Li7P3S11电解质的离子电导率可以高达1.5×10-3S/cm(与液态电解液相当,10-3~2×10-3S/cm)。使用cobalt sulfide-Li7P3S11作为电解质,Li7P3S11-Super P作为正极,金属锂作为负极的全固态锂离子电池表现出优异的倍率和循环性能。在1.27mA/cm2的电流下,1000次循环以后可逆放电容量高达421mAh/g。不仅如此,在12.73mA/cm2的电流密度下,其质量比功率更是高达3823W/kg

Nano Lett. |全固态锂离子电池获得巨大突破图2. (a) cobalt sulfide− Li7P3S11电极和(b)cobalt sulfide的充放电曲线, (c)基于放电曲线所得到的Ragone曲线, (d) 在1.27mA/cm2的电流下cobalt sulfide− Li7P3S11电极的循环寿命性能

随后作者解释了cobalt sulfide−Li7P3S11电极具有良好性能的原因

1.锚定的Li7P3S11覆盖层不仅改善了固-固接触界面而且有效地抑制了电极材料结构的破坏。

2.负极层中被还原的电解质颗粒和改善的离子电导率可使活性物质和电解质以物理方式紧密接触,加快锂离子的扩散速率。

3.固态双分子层Li10GeP2S12和 70%Li2S/29%P2S5/1%P2O5避免了Li10GeP2S12和金属锂的反应,并可确保电解质与金属锂的良好兼容性。

4.具有独特几何结构和高面积-体积比的二维硫化钴纳米片,可以为锂离子的嵌入和脱出提供较短的路径和较高的动力。

综上,Li7P3S11锚定在硫化钴纳米片上、新颖的Li7P3S11电解质嵌在正极层是该全固态锂离子电池性能优异的重要原因,这也为我们研究高性能的全固态锂离子电池提供新的思路。 Nano Lett. |全固态锂离子电池获得巨大突破

图3. cobalt sulfide− Li7P3S11的合成路

 

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