硫化物电解质的制备及其在全固态锂硫电池中的应用

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随着储能市场对高能量、稳定性和循环性能的锂离子电池的需求,理论能量密度高达2600Wh kg-1的锂硫电池脱颖而出,但由于使用液态电解质而引起“穿梭效应”,使得锂硫电池的容量衰减,难以得到应用。随着固态电解质的发展,特别是高离子电导率的硫化物固态电解质的应用,不仅解决了传统锂硫电池的安全问题,还有效地抑制多硫化物的产生和缓解“穿梭效应”,在全固态锂硫方面有很大的应用前景。首先,本文研究了硫化物电解质Li3PS4的磁力搅拌法、乳化法和球磨法的制备条件。乳化法合成的硫化物电解质Li3PS4晶体离子电导率略低,约为1×10-44 S cm-1,而球磨法制备的硫化物电解质Li3PS4玻璃-陶瓷离子电导率达到7×10-44 S cm-1。在此基础上,本文将Li3PS4玻璃-陶瓷应用于全固态锂硫电池中,研究离子电导率在全固态锂硫电池中的影响。通过S/Super P混合材料和Li3PS4玻璃-陶瓷球磨混合制备了正极材料并组装成全固态锂硫电池进行测试。尽管有效抑制多硫化物的穿梭,但受制于离子电导率低和硫的导电性差等问题,这种全固态锂硫电池的循环性能有待提高。为此,本文着手改善硫的导电性问题,使用导电性好且比表面积大的层状碳材料Black Peal 2000(BP2000),通过熔硫的方式形成S@BP2000正极材料,同时合成离子电导率高达2×10-33 S cm-1的Li7P3S11玻璃-陶瓷作为全固态锂硫电池的电解质,全面提升了全固态锂硫电池的循环性能。在60℃充放电测试中,全固态锂硫电池表现较室温大幅提升的倍率性能(4C、6C和8C的比容量分别达到1076、991和912 m Ah g-1)和循环性能(3C循环500周后容量保持率达98.6%,平均每周衰减0.0035%)。当测试温度进一步提高到80℃时,比容量(1570 mAh g-1,0.2C)和倍率性能(4C、6C和8C的比容量分别达到1299、1204和1100 mAh g-1)进一步提升,但循环性能有所降低(3C循环500周后容量保持率为82.4%,平均每周衰减0.029%),这主要是由于电解质的物理粉化和结构变化引起的。
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