研究背景
有機硫電極因其高比容量和豐富的結構可調性而受到越來越多的關注。但由于其充放電產物易溶于電解液，導致鋰有機硫電池容量的快速衰減，以及鋰枝晶的生長，使得鋰電池存在嚴重的安全問題。固體電解質 LLZTO 在鋰有機硫電池中的應用有望解決上述問題。首先，固體電解質的使用在一定程度上抑制鋰枝晶，減少電解液的使用，從而提高鋰電池的安全性，另一方面，固體電解質能阻礙可溶性的正極活性物質的穿梭行為，提高電池的循環性能。
文章簡介
基于以上研究背景，鄭州大學付永柱教授課題組選擇鋰化的 1,2-苯二硫酚 (1,2-LBDT) 作為正極活性物質，石榴石電解質作為阻礙正極物質穿梭的固態電解質組裝 LLZTO 準固態電池。結果表明，與使用 Celgard 隔膜的電池相比，使用 LLZTO 電解質的電池容量衰減更慢，LLZTO 電池循環 100 次后，電池仍有初始容量的 65.6%，而 Celgard 電池的容量保持率只有 25.8%。隨著電池循環的進行，電池的阻抗減小。計算表明，放電產物與 LLZTO 之間有強的相互作用，這使得正極材料與石榴石的界面趨于穩定。循環后的 LLZTO 的 XRD 圖譜和 SEM 圖表明電解質的結晶結構和形貌沒有明顯的變化，證明 LLZTO 與有機硫正極有較好的穩定性。本工作的結果對研究其他固態有機硫電池和開發氧化還原液流電池具有重要的參考價值。
▲ | 圖 1. a) 以LBDT 為正極的 LLZTO 電池結構示意圖。b) LLZTO 電池的 CV。c) 以 C/10 倍率循環的 LLZTO 和 Celgard 電池的電壓曲線。d) LLZTO 和 Celgard 電池的循環性能。e) LLZTO 電池的倍率性能。 |
▲ | 圖 2. a) 初始的和b) 優化后的充電產物(Ph2S4)在 LLZTO 表面的結構。c) 起始的和b) 優化后的放電產物(LiSPhSLi)在 LLZTO 表面的結構。紫色是鋰、紅色是氧、灰色是碳、白色是氫、黃色是硫、青色是鋯或鉭。 |
▲ | 圖 3. a) 未循環的和循環后的 LLZTO 電解質的 XRD 圖譜。b）LLZTO 電池在不同循環圈數后的奈奎斯特圖，正極電解液的濃度為 0.10 M。c）LLZTO 電解質循環后的 SEM 和 EDS 圖，d）La，e）Ta，f）Zr 和 g）S。 |
▲ | 圖 4. 50 次循環后，LLZTO 電解質表面在離子濺射前后的 XPS 圖譜，a) C 1s、b) La 4d、c) S 2p 和 d) O 1s 光譜。 |
論文信息
Garnet solid-state electrolyte with benzenedithiolate catholyte for rechargeable lithium batteries
Bo Wang, Yang Jin, Yubing Si, Wei Guo and Yongzhu Fu* (付永柱, 鄭州大學)
Chem. Commun., 2022,58, 3657-3660
http://doi.org/10.1039/D2CC00013J
鄭州大學 鄭州大學主要作者
金陽，鄭州大學電氣學院教授，博士生導師。2012 年本科畢業于鄭州大學電氣工程學院，2017 年博士畢業于西安交通大學電氣工程學院。2014 年至 2016 年博士在讀期間受國家留學基金委資助赴美國公派留學，2014 年 9 月至 2015 年 8 月在麻省理工學院李巨教授課題組進行聯合培養博士學習，2015 年 9 月至 2016 年 8 月在斯坦福大學崔屹教授課題組進行聯合培養博士學習。先后以第一/通訊作者身份在 Nature Energy, Nature Commun., Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., PNAS, JMCA 等學術期刊發表 20 余篇論文。主要研究方向為電網規模化電池儲能技術和電化學儲能電站安全性。
鄭州大學
司玉冰，鄭州大學化學學院副教授，碩士生導師。2012 畢業于廈門大學，2016-2018 在美國印第安納大學-普渡大學印第安那波利斯分校(IUPUI)，從事博士后研究。先后以第一/通訊作者身份在Nature Commun., Angew. Chem., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., 等學術期刊發表 20 余篇論文。主要研究方向為理論與計算化學，超快電子轉移過程，微觀反應動力學，大數據及材料高通量篩選。
鄭州大學
付永柱，鄭州大學化學學院特聘教授，博士生導師。2007 年博士畢業于美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程專業。2017 年回國前在印第安納大學-普渡大學聯合分校擔任助理教授。目前承擔 NSFC-河南聯合重點項目、國家自然科學基金面上和河南省創新引領專項課題等項目。研究領域包括高能量電池電極材料、高離子選擇性膜材料、及高效催化材料。已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Commun., Acc. Chem. Res. 等國際著名期刊上發表論文 130 余篇。擔任能源領域期刊 Energy & Environmental Materials 副主編。
