基于Li6PS5Cl固态电解质的全固态锂硫及锂硒电池研究

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiaranerzhi
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近年来,随着电子产品、电动汽车以及电网储能等领域的快速发展,使得开发高比能量、长循环寿命以及高安全性的下一代锂电池显得十分重要。由于硫元素具有较高的理论比容量(1675 mAh g-1),能够输出极高的能量密度(2500 Whkg-1或2800 Wh L-1),因此被视为具有竞争力的锂电池新型正极材料。Se元素与S同族,具有相似的化学性质。而Se的电子电导率(1×10-5S cm-1)大约比S(5×10-30 S cm-1)高25个数量级,且Se的体积能量密度(3270 mAh cm-3)可以与S的体积能量密度(3467 mAh cm-3)相媲美,因此Se也有望成为下一代锂电池的正极材料。但是S和Se正极都存在着一些问题:首先二者均会与锂金属反应生成可溶于电解液的中间产物,产生“穿梭效应”,进而造成活性材料的损耗,电池比容量的衰减;其次,S和Se的导电性较差,使得电池的动力学难以满足大倍率的使用条件;最后,在锂化前后S和Se还面临着较大的体积变化,对于正极机械结构的保持提出了挑战。基于Li-S和Li-Se电池中的上述问题,本文旨在选取合适的正极活性材料载体,配合Li6PS5Cl固态电解质,组装Li-S及Li-Se全固态电池,以期获得良好的电化学性能,主要进行了以下工作:(1)针对Li-S电池使用电解液普遍存在“穿梭效应”的问题,本章提出引入Li6PS5Cl固态电解质取代电解液的研究思路,用以避免中间产物溶解的问题。其中,以二氧化硅作为模板,聚苯胺作为碳源,合成了氮掺杂分级多孔炭(NHPC)作为S的载体,用以改善正极电导率,缓冲锂化前后的体积变化。所制备的NHPC炭材料具有628.8 m2 g-1的比表面积和1.62 cm3 g-1的孔体积,为容纳S和缓冲体积变化提供了空间。通过简单的熔融扩散法获得S/NHPC复合材料,硫负载量达到70.9%。利用该复合材料作为正极所组装的全固态Li-S电池在50 mA g-1的电流密度下,放电比容量可达1328 mAh g-1;在200 mA g-1的电流密度下,电池循环150圈后,容量为268 mAhg-1,其容量保持率为44.73%。(2)针对Li-Se电池中多硒化物“穿梭效应”和正极体积变化问题,提出引入多孔结构且高导电的NHPC缓解Se体积膨胀以及使用Li6PS5Cl固态电解质缓解“穿梭效应”的思路。通过熔融法获得Se/NHPC复合材料,Se负载量高达80.99%。所构筑的全固态Li-Se电池在20 mA g-1的电流密度下具有647 mAh g-1的比容量,在200 mA g-1的电流密度下仍保持256 mAh g-1的比容量。Se/NHPC全固态电池可在67.5 mA g-1的电流密度下循环70圈以上,容量保持率稳定在84.8%。进一步通过非原位Raman、XPS、SEM等测试发现,所使用的三方晶系Se在与NHPC复合时转变为链状,充电后转化成环状,长时间循环后会出现析出富集的现象。我们推测Se富集主要是由于环状硒与碳基体的结合较弱所导致的。(3)Se与碳基体结合时会变为无定形状态,导致其电子电导率降低,不利于电化学反应的进行以及高倍率条件下的应用。针对此问题,我们提出采用具有高导电性的金属碳化物MXene作为Se的载体。通过HF刻蚀Ti3AlC2 MAX得到了手风琴状多层Ti3C2 MXene。该MXene由多层纳米片堆叠而成,层与层之间的空隙为后续容纳较多的硒及缓冲电化学过程中的体积变化提供了空间。通过熔融法合成了 Se@MXene复合材料,SEM和TEM显示Se能够均匀地进入MXene的层间,负载量高达63.3%。在Se@MXene复合材料中Se主要以三方晶系的晶体状态存在,有利于维持结晶相Se的高电导率。研究发现以Se@MXene复合材料为正极的固态Li-Se电池在20 mA g-1的电流密度下放电比容量高达638 mAh g-1;在200 mA g-1的电流密度下,其容量仍保持429 mAh g-1。其良好的电化学性能得益于MXene的高电导率和复合材料中Se的晶体结构的保持。
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