Na3PS4固体电解质界面改性及电化学性能研究

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钠元素在地壳中的储量丰富,来源广泛,发展钠离子电池体系可以有效降低二次电池的成本。而构筑固态钠电池可以进一步提高电池的安全性和能量密度。固态钠电池有望应用于大规模储能系统,是有广阔前景的下一代电池之一。然而,固态钠电池存在着电解质的化学/电化学稳定性差、物理接触差等问题。不良的界面相容性会使得界面阻抗增大,电池性能衰减。因此固态钠电池中电极与电解质之间的界面接触以及界面稳定性等问题还需要进一步研究。众多的固体电解质中,硫化物电解质因其高室温离子电导率,低杨氏模量,低晶界阻抗等优点脱颖而出。因此,本论文基于Na3PS4硫化物电解质,并从界面改性的角度开展研究,主要包含以下两部分内容:1)采用氧化物正极材料研究固体电解质在高电压下的分解行为及其对电池性能的影响。通过分析全固态电池的电化学性能和首次充放电曲线,推测电解质在首次充电至高压后发生分解,并因此影响电池性能。X射线光电子能谱表征证实该推测。此外,通过电化学阻抗谱分析复合正极的电解质/活性物质的比例对离子/电子传输性质的影响,证实合理巧妙的设计正极材料对于电池性能起到重要作用。这项工作探究了硫化物电解质的电化学稳定性以及复合正极的离子/电子传输性质对于固态电池的影响。2)基于材料设计和界面改性构筑室温固态钠硫(Na-S)电池。首先,使用N-丁基-N-甲基吡咯烷鎓双(氟磺酰基)酰亚胺(Pyr14FSI)离子液体改性负极/电解质界面。X射线光电子能谱表征证明,在Na Sn/Na3PS4界面形成了稳定的原位SEI层。对称电池恒电流充放电测试900小时后,过电位仅有0.55 V。此外,使用Se掺杂的硫化聚丙烯腈(S@p PAN)来提高硫电极的反应动力学。采用Se0.05S0.95@p PAN正极的固态Na-S电池在300 m A g-1的电流密度下发挥出708.5m Ah g-1的放电容量,并且能够可逆循环50圈。这项工作证实了界面工程和电极设计对于改善固态电池电化学性能的重要性。
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