导电助剂对硫化物全固态电池性能影响研究

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为满足绿色发展的需求,锂离子电池作为一种清洁能源,开始逐渐取代化石燃料,成为电动汽车等大功率用电设备的动力来源。传统锂离子电池因使用有机电解液作为电解质,电池在循环过程中,极易形成锂枝晶,最终锂枝晶会刺穿电池隔膜导致电池短路,大大缩减了电池使用寿命;有机电解液还具备易燃易挥发的特性,导致传统锂离子电池存在比较严重的安全性问题。近年来,基于固态电解质的全固态电池凭借其高能量密度和高安全性等优势吸引了广泛关注,尤其是硫化物全固态电池,因其使用离子电导率高、机械性能优异以及合成温度低的硫化物作为固态电解质,被认为是最有望实现商业化的全固态电池体系。由于固态电解质不具备流动性和浸润性,固-固接触方式的正极活性材料与固态电解质层界面之间缺乏有效的离子传输介质,因此,需要在极片制备过程中考虑将电解质加入其中作为活性材料与电解质之间的离子传输媒介。然而,全固态锂离子电池正极常用的商用过渡金属层状氧化物活性材料电子电导率普遍小于10-4 S cm-1,加上其中含有电子绝缘的固态电解质,严重削弱了正极的电子传输能力,这很难满足未来全固态电池的高倍率、高能量密度的商业化需求。因此,提高全固态电池正极的电子电导能力势在必行。碳基导电助剂由于具有高电子电导率、大比表面积,成为二次电池电极中构筑导电网络的首选。然而,硫化物固态电解质较窄的电化学稳定窗口,高电压下导电助剂会加速正极中的硫化物固态电解质的电化学分解;同时,导电助剂表面的含氧官能团亦会与硫化物固态电解质发生不可控的不利反应。以上副反应形成的产物Li2S、P2Sx等具有极低的离子传输能力,正极界面处电荷转移阻抗持续增大,导致电池电化学性能严重下降,因此,正极中导电网络的合理化构建是目前硫化物全固态电池领域一大挑战。为了实现硫化物固态电池正极中的导电网络合理化构建,需要在保证实现活性材料之间以及活性材料与集流体之间电子快速传输的前提下,减少由导电助剂引起的硫化物固态电解质的分解。由于导电助剂表面的电子面密度高,导电助剂会加速正极中副反应的进行,而导电助剂的电子富集位点与形貌、比表面积有关,因此,探究导电助剂的形貌、比表面积与全固态电池性能的关系非常重要。本文探究了三种导电助剂,Super P、碳纤维(Carbon fiber)、石墨烯(Graphene)对硫化物全固态电池性能的影响。研究发现,比表面积小的片状形貌导电助剂石墨烯与硫化物固态电解质(Li6PS5Cl)的副反应最弱。相比Super P和碳纤维,基于石墨烯导电助剂的全固态电池的比容量、倍率性能和循环性能大幅提升,在0.1C电流密度下,以3.0 wt.%Super P、碳纤维、石墨烯作为导电助剂的电池,首圈容量分别为143.1 m Ah g-1、170.2 m Ah g-1、173.6 m Ah g-1;经过30次充放电循环后,电池的容量保持率分别为80.6%、80.4%、86.7%。最后,通过d Q/d V分析、电化学阻抗、SEM表征,阐明了导电助剂的形貌、比表面积与固态电池性能之间的构效关系。导电助剂表面的含氧官能团会与硫化物固态电解质发生不可控的氧化还原反应,需要对导电助剂采取修饰手段以抑制二者之间的氧化还原反应。但是目前提出的2400°C高温烧结等方法难以用于大规模工业化生产。因此,开发低成本且简单易行的导电助剂改性工艺手段以削弱导电助剂与Li6PS5Cl之间氧化还原反应非常重要。本工作提出了简单易行且具备普适性的热还原工艺改性导电助剂的方法。研究发现,以低成本的Super P为导电助剂即可大幅提升全固态电池比容量、倍率性能和循环性能。在0.1 C电流密度下,以1.0 wt.%Super P、R-Super P作为导电助剂的电池,首圈容量分别为131.8 m Ah g-1、180.2 m Ah g-1;经过40次充放电循环后,电池的容量保持率分别为64.6%、81.8%。热还原改性方法可以有效去除Super P表面的含氧官能团,削弱Super P与Li6PS5Cl的界面副反应,值得注意的是,仅需要1.0 wt.%的低成本R-Super P即可实现全固态电池性能全方位大幅度提升,该改性方式对实现全固态电池的高能量密度指标具有重要的实际意义。
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