崔光磊团队:自支撑硫化物骨架助力全固态锂金属电池

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【研究背景】
作为新一代储能器件,锂离子电池以其高能量密度和长循环寿命在移动电子、电动汽车等领域备受青睐。然而,有机电解液的使用让传统锂离子电池存在诸如泄露、爆炸等安全隐患。解决上述问题最行之有效的方法之一是将电解质固态化,制备高安全性的全固态锂电池。目前,全固态锂电池的性能提升主要受限于无法同时解决固态电解质低的室温离子电导率和高的固-固界面阻抗这两大瓶颈问题。

【工作介绍】
鉴于此,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组提出一种创新策略:利用SeS2作为造孔剂首次制备高电导率自支撑三维多孔硫化物Li6PS5Cl (p-LPSCl)渗流骨架,随后将聚合物前驱体溶液聚乙二醇甲基醚丙烯酸酯(poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate,PEGMEA)浇注于自支撑三维多孔硫化物Li6PS5Cl (p-LPSCl)渗流骨架中,通过引发PEGMEA原位聚合得到复合固态电解质。固态核磁揭示Li+在该复合电解质中主要沿LPSCl相快速传输,因而该复合电解质室温电导率相较于纯聚合物电解质提升128倍,达到4.6×10–4 S cm–1。同时,得益于原位聚合的策略,电极/电解质界面相容性得到显著优化。利用该策略装配的LiCoO2|Li和NMC811|Li全固态电池表现出高的放电比容量及优异的循环性能。这一创新的整合策略对于解决全固态电池的瓶颈问题,推进全固态电池的商业化具有重要指导意义。该成果以“Facile Design of Sulfide-Based all Solid-State Lithium Metal Battery: In Situ Polymerization within Self-Supported Porous Argyrodite Skeleton”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202101523)上。通讯作者为中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员,2017级直博生王延涛和鞠江伟副研究员为本文共同第一作者。
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图1. 全固态电池制备示意图

【内容表述】
1. 三维多孔LPSCl骨架制备及表征
作者创造性采用SeS2作为造孔剂来制备p-LPSCl。根据结构和化学组成分析,SeS2非常适合作为制备三维多孔硫化物渗流骨架的造孔剂。
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图2. p-LPSCl结构分析a) p-LPSCl和初始LPSCl的XRD谱图。b) p-LPSCl的截面SEM图像和孔径分布曲线。c) p-LPSCl的CT三维重建图像和相应的二维切片图像。白色和灰色分别代表LPSCl相和孔隙。d) p-LPSCl和制备的LPSCl的拉曼光谱。插图显示了放大后的光谱部分。

得益于高电导率的硫化物渗流骨架,该复合电解质在室温下的离子电导率可以达到4.6×10 -4 S cm–1,相较于纯聚合物电解质提升128倍。
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图3. 不同固态电解质的电导率及提升因子。提升因子为复合电解质的电导率与聚合物电导率的比值。

图4 展示了原位聚合方式组装的NCM811|复合电解质|Li全固态电池的循环性能,得益于复合电解质高的室温离子电导率和原位聚合方式获得的紧密兼容的电极/电解质界面,该固态电池展现出了优异的电池性能。这一创新的整合策略对于解决全固态电池的瓶颈问题,推进全固态电池的商业化具有重要的指导意义。
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图4 a)原位聚合方式组装的NCM811|复合电解质|Li全固态电池的循环性能。b) NCM811|复合电解质|Li 全固态电池的充放电曲线。c)基于不同固态电解质的全固态电池的电化学性能对比。仅用正极活性材料的质量来评价比容量

【结论】
综上所述,作者首次报道了一种三维多孔自支撑硫化物骨架:p-LPSCl,并利用原位聚合策略制备了一种高电导率高性能的复合电解质材料。得益于高电导率的硫化物渗流骨架,该复合电解质在室温下的离子电导率可以达到4.6×10 -4 S cm -1。原位聚合策略显著改善了电解质/电极界面使得界面阻抗从709降至112 Ω cm2。利用此复合电解质制备的全固态电池显示出优异的电化学性能,这项研究为固体电解质的设计提供了一个非常有前途的策略,以满足高离子电导率、良好的电极/电解质界面兼容性。

Wang, Y., Ju, J., Dong, S., Yan, Y., Jiang, F., Cui, L., Wang, Q., Han, X., Cui, G., Facile Design of Sulfide‐Based all Solid‐State Lithium Metal Battery: In Situ Polymerization within Self‐Supported Porous Argyrodite Skeleton. Adv. Funct. Mater. 2021, DOI:10.1002/adfm.202101523

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参考文献: