崔屹、陶新永Nano Lett.：Li7La3Zr2O12 /碳泡沫和聚合物的复合材料固体锂硫电池在37℃下运行

【背景介绍】

具有高能量密度和高安全性的全固态锂离子电池是下一代储能系统很有研究价值的解决方案。开发用于现代电子车辆和电网规模能量储存的最先进的锂离子（Li-ion）电池，能源密度和安全问题是非常重要的。传统的正极材料如LiCoO₂，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂和LiFePO₄由于其小于200mAh g^-1的低容量，只能提供有限的能量密度。固态电池需要在60-90℃的高温下运行，电极的高界面电阻和固态电解质的差的离子传导性是固态电池的两个主要挑战。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的崔屹教授和浙江工业大学的陶新永教授（共同通讯）等人通过一步Pechini溶胶-凝胶法将Al³⁺/Nb⁵⁺共掺杂立方Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）纳米颗粒和LLZO纳米颗粒修饰的多孔碳泡沫（LLZO@C）进行了合成。与无填料样品相比，LLZO纳米颗粒填充的聚（环氧乙烷）电解质展现出良好的电导率。基于LLZO@C的硫复合正极可以在人体温度37℃具有>900 mAh g^–1的容量，在50和70℃下分别具有1210和1556mAh g^-1的高容量。

【图文导读】

图1 基于LLZO纳米结构的全固态Li-S电池的示意图

蓝色背景表示PEO-LiClO₄固体聚合物电解质，粉红色和黄色球体分别对应于LLZO和S颗粒，使用LLZO@C基体和PEO粘合剂构建S正极旨在降低S与离子/电子传导基体之间的界面电阻

图2 通过一步Pechini溶胶-凝胶法合成的LLZO@C的形貌和显微组织

（a-c）LLZO @ C样品的SEM图像

（d-h）LLZO@C样品的TEM图像

（f，h）分别是e中对应于区域A和B的HRTEM图像

（g）碳泡沫的HRTEM图像

（i）h中对应于HRTEM图像的FFT图案

图3 LLZO@C样品的TEM图像和元素映射

（a）LLZO@C的低倍率TEM图像

（b）a中由红色箭头表示的相应颗粒的高倍率TEM图像

（c-h）C，O，La，Zr，Al和Nb的元素图

图4 LLZO与Li金属负极稳定性的原位TEM研究

（a）在与Li金属负极（右）接触之前，LLZO涂覆的Cu电极（左）的TEM图像

（b）与Li负极接触的LLZO的TEM图像

（c-f）Li运输时间分别为为5,15,30和60分钟的形态演化的STEM图像

（g）从Li金属负极脱离的LLZO涂覆的Cu电极的TEM图像

（h）分离后LLZO纳米粒子的TEM图像

（i）在h中LLZO纳米颗粒表面的相应HRTEM图像

图5 LLZO-PEO-LiClO₄电解质和固态Li-S电池的电化学性能

（a）具有不同LLZO浓度的纳米复合材料LLZO-PEO-LiClO₄的导电性

（b）在37℃下具有0.05mA cm^-2的固化密度的S@LLZO@C正极的第1，第20和第80个循环的典型充电/放电曲线

（c）在50℃下具有0.1mA cm^-2的S@LLZO@C和S@C正极的典型充电/放电曲线

（d）在37℃下电流密度为0.05mA cm^-2的S@LLZO@C阴极的循环性能和库仑效率

【总结】

本文作者通过简便的一步Pechini溶胶-凝胶法，已经成功地制备了Al³⁺/Nb⁵⁺ 掺杂的立方LLZO和LLZO@C纳米结构，经过优化后，在20和40℃下，具有15wt％LLZO的PEO-LiClO 4聚合物电解质分别显示9.5×10^-6和1.1×10^-4 S cm^-1的高电导率。使用LLZO @ C纳米结构作为基体加载S，固态Li-S电池在人体温度37℃下展示出超过900mAh g^-1的比容量。这些固态电极和电解质的合理设计策略将为下一代储能开辟新途径。

文献链接：Solid-State Lithium–Sulfur Batteries Operated at 37 °C with Composites of Nanostructured Li7La3Zr2O12/Carbon Foam and Polymer（Nano Lett.,2017,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00221）

本文由材料人新能源组李伦供稿，材料牛整理编辑。

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