论文部分内容阅读
近年来,锂硫电池的研究备受关注。这是因为硫正极和锂金属负极具有高的理论比容量(锂金属～3800 mAh g-1,硫～1675 mAh g-1),使得锂硫电池具有高的理论比能量(2600 Wh kg-1)。同时硫还具有价格低、环保等优点,被认为是未来二次锂电池中最有发展前景的正极材料。然而,传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用。使用固体电解质的全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题。本文制备了一系列聚氧化乙烯(PEO)基聚合物固体电解质,系统研究了其应用于固态锂硫电池的性能。制备了具有不同的[EO]/[Li+]的PEO/LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池。研究发现,虽然[EO]/[Li+]=8的电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li+]=20的电解质与锂金属负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好。Li|PEO/LiTFSI(EO/Li+=20)|Li对称电池在60 ℃,电流密度为0.1 mA cm-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO/LiTFSI(EO/Li+=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象。基于PEO/LiTFSI(EO/Li+=20)聚合物电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh g-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh g-1。相比之下,基于PEO/LiTFSI(EO/Li+=8)电解质的锂硫电池,由于与锂金属较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象。在PEO/LiTFSI(EO/Li+=20)聚合物电解质研究的基础上,采用溶液浇铸的方法,将无机硫化物固体电解质Li10SnP2S12(LSPS)复合到聚氧化乙烯(PEO)基质中,制备了PEO-LSPS复合聚合物电解质。研究表明,与原始PEO/LiTFSI电解质相比,Li10SnP2S12的加入可提高复合电解质的离子电导率、机械性能以及对金属锂负极的界面稳定性。将其应用于固态锂硫电池,可显著提高电池的电化学性能。PEO-1%LSPS电解质具有最高离子电导率,在50 ℃时为1.69×l0-4S cm-1,并且具有最好的机械性能。LSPS在均匀分散在PEO基质中有效抑制了PEO的结晶,降低了PEO链间的相互作用。与PEO/LiTFSI电解质相比,PEO-1%LSPS电解质与锂负极之间具有更低的界面阻抗和更高的界面稳定性。基于PEO-1%LSPS电解质的锂硫电池具有优异的电化学性能,在60 ℃下具有高的放电比容量(约1000 mAhg-1)、高的库伦效率和良好的循环稳定性;而基于PEO/LiTFSI电解质的电池出现了严重的过充现象。更重要的是,PEO-1%LSPS电池在50 ℃时仍具有良好的电化学性能,放电比容量高(约800 mAh g-1)、循环稳定性好;而PEO/LiTFSI电解质由于离子电导率低,界面阻抗高,所以电池不能正常充放电。