老瓶装新酒——金属Cu箔用于高性能Li2S全电池

【引言】

在众多新型锂电池中，锂硫电池（Li-S）的理论比容量高达1675 mAh/g，理论比能量达到2600 Wh/kg，远高于商业化的钴酸锂电池的容量（<200 mAh/g），是传统磷酸铁锂电池的五至十倍，且硫本身具有无污染，低成本的特点，使得Li-S 电池已成为当前新型汽车动力电池的研究热点。但是，为了匹配硫正极的高容量，目前Li-S电池多使用金属锂片作为负极，金属锂的高活性、易燃等特点为Li-S电池带来了严重的安全隐患，使其商业化应用受到严重的阻碍。因此，如何提高Li-S电池的安全性能，寻找合适的负极材料用于替换锂金属片负极成了目前Li-S电池研究的热点内容。

【成果介绍】

近日，Li-S电池大牛，德克萨斯大学的Arumugam Manthiram教授课题组在Advanced Energy Materials发表研究性论文：A Lithium–Sulfur Cell Based on Reversible Lithium Deposition from a Li₂S Cathode Host onto a Hostless- Anode Substrate。文章利用常见的Cu金属片作为负极嵌/脱锂的载体，构建出了一种新型的“无负极基底全电池”（Anode-host-free full cell）。得益于电池反应过程中生成的Li₂S与Li₂S₂，锂枝晶在Cu金属片上的生长受到了明显的抑制，利用Cu || Li₂S 构建出的全电池具有不亚于Li-S金属半电池的性能，并且在循环100圈以后，仍然保持96％的库伦效率。

【图文导读】

图1：利用Cu箔作为负极载体构建Cu || Li₂S全电池。

（a）充放电循环后沉积在铜箔上的锂的数码照片。

（b）Cu || Li₂S全电池充放电曲线图。

（c）Cu || Li₂S全电池充放循环图。

图2 Cu || Li₂S电化学性能及SEM图

（a）Cu || Li₂S与Cu || LiFePO₄循环保持对比图

（b）Cu || Li₂S与Cu || Li库伦效率对比图

（c）Cu || Li₂S与Cu || Li循环后的SEM图

（d）Cu || Li₂S 全电池抑制锂枝晶生长示意图。

图3 SEI膜形成及结构分析图

（a）Cu || Li₂S与Cu || Li 全电池SEI膜的XPS分析。

（b）Cu || Li₂S 全电池的EDX分析

（c）Cu || Li₂S均匀锂沉积示意图。

【小结】

本文利用常见的Cu箔替换锂金属片作为负极载体，构建出了一种新型的Cu || Li₂S全电池结构。电池反应生成的Li₂S与Li₂S₂形成出了适合锂离子沉积的保护层，促进锂离子均匀沉积于Cu基底表面，极大的提高了Li-S电池的循环稳定性以及库伦效率。这种新型的结构解决了目前Li-S电池中锂金属过剩造成的安全问题，在保证诱人电池性能的同时，极大的提高了Li-S电池的安全性，为Li-S电池的研究开辟了一条新的道路。

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