韦仕敦大学孙学良团队EES：硫化物电解质所诱导的高性能全固态Li-Se电池

【引言】

采用无机固态电解质的全固态Li电池由于其高能量密度、高安全性等优点而备受研究者青睐，如：使用无机固体电解质可显著提高电池安全性并可避免电解质的泄漏；Li金属阳极的潜在相容性可以实现电池的高比能量密度，使其成为移动电子、电动汽车和大型储能系统的有利竞争材料。全固态Li-S电池曾因其高的理论能量密度而被视为一种极具前景的可替代电池系统，但这些系统同时面临着较差的充电性能、循环稳定性、库仑效率及倍率性能等诸多挑战，使之不能商业化。同时，全固态Li-S电池存在一个致命的缺点，即在电极和电解质间，Li⁺和电子之间的传输性能较差。而且，S阴极的绝缘性也阻碍了电池中的固态电化学反应（锂化/脱锂），限制了其电化学性能。因此，开发具有高离子和电子传导率的新型阴极材料是实现全固态Li电池应用的一种重要的方法。

【成果简介】

近日，韦仕敦大学孙学良教授（通讯作者）等人开展了一项全新的研究：首次开发出全固态Li-Se电池，同时为提高全固态电池电荷转移提供了新的策略。该团队研究了以Se-Li₃PS₄-C复合材料为阴极、以Li₃PS₄为电解质、Li-Sn合金为阳极的全固态电池。研究发现：与S相比，Se阴极在室温下表现出较低的极化和较高的可逆性。同时，Se具有更高的电子传导率（1×10^-3 S cm^-1，而S仅为0.5×10^-27 S m^-1），因此有望作为电池的新一代阴极材料。该成果以“High-performance All-Solid-State Li-Se Batteries Induced by Sulfide Electrolyte”为题，发表在著名能源期刊Energy Environ. Sci.上。

【图文导读】

图一 全固态Li-Se电池的示意图及电化学表征

（a）全固态Li-Se电池的示意图
（b）室温下50 mA g^-1时，全固态电池中Se阴极和S阴极典型的放电/充电曲线
（c）瞬态放电/充电电压曲线
（d）在室温和60 ℃下，由GITT测得的Se / Li₃PS₄ / Li电池相应极化曲线

图二 全固态电池Se阴极与S阴极的反应动力学分析

（a）球磨过程后，商用Li₃PS₄、SeLi₃PS₄及S-Li₃PS₄的温度依赖于离子电导率的变化曲线
（b）球磨过程后，在不同设定电压下，商用Li₃PS₄、SeLi₃PS₄及S-Li₃PS₄的平衡电流曲线

图三 Se / Li₃PS₄ / LiSn全固态电池的SEM和电化学表征

（a）阴极/电解质颗粒横截面SEM图像
（b）Se、S、P元素的EDX图像
（c）在50 mA g^-1下，全固态Se/Li₃PS₄/LiSn的放电/充电电压曲线
（d）不同电流速率下的代表性放电/充电电压曲线，插图表示从50 mA g^-1到800 mA g^-1电流密度范围内的倍率性能分析
（e）在50 mA g^-1下的循环性能和相应的库仑效率。

图四 电池首次循环时，对Se阴极的表征

（a）充电/放电曲线
（b）容量依赖原位拉曼光谱等值线图
（c）在不同的放电/充电状态下的原位拉曼光谱
（b）和（c）光谱中的“*”由测试中的日光灯所导致

【小结】

该研究首次证明了全固态Li-Se电池具有良好的电化学性能。在室温下，Se阴极展现出更高的利用率及较低的极化。研究发现：与S-Li₃PS₄电极材料相比，Se-Li₃PS₄电极材料具有更优异的离子电子导率；Se-Li₃PS₄-C阴极中可以实现更快的电荷转移；通过非原位XRD可以观察到放电状态下Se转化为Li₂Se，以及全充电状态下Se的回收（即Se与Li₂Se可相互转化）；此外，原位拉曼分析揭示了（1）Se阴极在放电/充电过程中详细的演化过程；（2）可逆界面PS_4-xSe_x^3-体系在阴极复合材料中存在着独特的锂化/脱锂反应。这项研究工作表明全固态Li-Se电池可作为极具前景的高能储存系统，并为固态电池/电极界面化学提供新的见解。

文献链接：High-performance All-Solid-State Li-Se Batteries Induced by Sulfide Electrolyte（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE01621F）

本文由材料人编辑部新人组黄敏编译，杜成江审核，点我加入材料人编辑。

材料测试，数据分析，上测试谷！