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叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

在所有的锂离子电池中,Li-S电池的理论能量密度最高,被作为下一代二次锂金属电池的研究深度最大。但是,要得到Li-S电池稳定的长循环寿命,首要的挑战就是增加Li金属负极稳定性,因为在电池循环过程中Li金属负极极易产生枝晶,刺穿隔膜,导致电池失效。此外,还有聚硫物质的穿梭效应,S元素和Li2S不导电等问题。

叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

图1 LiN3在电池中的电化学反应示意图

叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

图2 聚合物电解质的物理性质和电化学性质 (a) 添加LiN3和LiNO3电解质的表面 (b) XRD (c) DSC (d) TGA (e) 离子电导率 (f) 电解质稳定性

为了解决上述问题Michel ArmandHeng Zhang的课题组,在固态Li-S电池(ASSLSBs)的电解质中加入叠态氮化锂(LiN3,并通过电化学学性能检测和表征检测,证明添加在电解质中的叠态氮化锂(LiN3)可以有效抑制负极锂枝晶的生成,提高电池的循环寿命。叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

图3 (a) 70℃恒流沉积/剥离 (b) 25℃恒流沉积/剥离 (c) SEM (d) XPS

叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

图4 添加LiN3和LiNO3电解质的反应机理示意图

作者将添加LiN3的固体电解质与没有任何添加和添加LiNO3的电解质对比,发现添加LiN3的电解质具有良好的电导率和机械强度,且可在Li金属表面形成一层钝化膜(SEI层),这层钝化膜不仅在首次循环中形成,而且在之后的循环中保持稳定,从根源上杜绝了Li枝晶的生成。且添加LiN3的电解质,可在短时间内形成SEI层,且极化小导、电率高和具有高覆盖率。

叠态氮化锂(LiN3)——神奇的固态Li-S电池电解质添加剂

图5 Li-S电池使用不同电解质的充放电曲线。

作者组装Li-S电池进一步证明,使用添加LiN3的电解质的电池,在Li金属负极有稳定的SEI层形成,而且可以保持稳定在Li-S电池中稳定的SEI层可以激增Li/电解质接触面的稳定性,提高电池的循环稳定性和库伦效率。总之,LiN3作为Li-S电池固态电解质的添加剂,具有巨大的应用前景。

Gebrekidan Gebreslase Eshetu, Xabier Judez, Chunmei Li, Alex Bondarchuk, Lide Mercedes Rodriguez-Martinez, Heng Zhang, Michel Armand, Lithium azide as a novel electrolyte additive for all-solid-state Li-S batteries, Angewandte. Chemie. DOI: 10.1002/anie.20170930

 

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