论文部分内容阅读
随着近年来储能需求增加,发展新型电池体系成为各国都要面临的重要课题。全固态锂硫电池既继承了锂硫体系的高比能量的特点,同时又具备固态电池的高安全性能而成为最有前景的下一代锂离子电池。但是,由于硫和其放电产物硫化锂的高绝缘性质以及循环期间两者的体积存在巨大差异(放电过程硫转化为硫化锂体积膨胀约70%),全固态锂硫电池的电化学性能仍有待提高。如何构建具有均匀离子/电子导电网络和高机械强度的复合正极是制备高性能全固态锂硫电池需要解决的关键问题。本文制备了具有不同组成和结构的复合硫正极及Li2S@C纳米复合材料,利用Li7P3S11(LPS)作为固态电解质,开展系统的全固态锂硫电池研究工作。以硫化锂和五硫化二磷为原料,通过球磨法和两步热处理法合成具有高电导率的Li7P3S11硫化物固体电解质。利用XRD和SEM分析表明,成功合成纯相Li7P3S11硫化物固体电解质,并且在冷压下可以制备高致密的固体电解质片。室温下冷压制备的电解质片室温离子电导率为1.7×10-3 S cm-2。使用硫作为活性材料,系统探究复合硫正极材料组成对全固态锂硫电池电化学性能的影响。研究表明,与Super P和Ketjen Black相比,使用乙炔黑(AB)作为导电添加剂的全固态电池显示出最优的电化学性能;使用乙炔黑作为导电添加剂时,硫:电解质:导电添加剂质量比为4:4:2的复合硫正极具有最优的电化学性能。通过二硫化碳和金属锂在高温下燃烧原位生成纳米Li2S和碳,制备了纳米Li2S均匀嵌入导电碳基体中的Li2S@C复合材料。SEM和TEM分析表明碳材料紧密的包覆在Li2S表面,不仅显著提高了电导率,同时有效抑制了纳米Li2S的团聚。同时,原位形成的纳米尺寸Li2S和导电碳的渗透网络提供良好电子/离子传输通道的同时,可有效缓解电极锂化/去锂化过程中的应力/应变。得益于其独特的结构,使用Li2S@C纳米复合材料制备的Li2S@C-LPS-AB复合正极表现出优异的电化学性能,可同时实现超高Li2S@C面积载量(8 mg cm-2)、高Li2S@C含量(42%)和81%的高Li2S利用率(相当于945 mAh g-1的可逆比容量和7.56 mA h cm-2面积比容量)。同时,Li2S@C纳米复合材料还具有优异的倍率性能和循环稳定性。在2 mA cm-2电流密度、Li2S@C面积载量2 mg c m-2情况下60℃循环,电池仍具有高可逆比容量,700次后容量维持在560 mAh g-1,容量保持率达93%,循环过程中库仑效率接近100%。此外,Li2S@C纳米复合材料在室温下电池同样展现出优异的电化学性能,Li2S@C面积载量为4 mg cm-2的全固态锂硫电池在0.2、0.5和1mA cm-2的电流密度下容量分别为900、760和620 mAh g-1。