清华大学&斯坦福大学Joule: 基于固态电解质的高能量密度熔融液态锂-硫和锂-硒电池

微观世界 4年前 (2019-11-09) 5132浏览

【引言】

目前商业化的锂离子电池的能量密度低于300 Wh kg-1和750 Wh L-1，急需进一步的提升。位于同一主族的硫和硒由于具有极高的理论比容量和低成本受到了广泛的研究关注。以前的研究主要集中在使用固态锂金属负极，固态S或Se正极（粉末或不同的S/C或Se/C复合材料）搭配有机电解液的电池上。 然而，由于使用了固态锂金属和有机电解液，导致电池不可避免的存在以下问题：（1）由于Li2Sx或Li2Sex溶解在电解液中而引起的穿梭效应，导致电池的循环稳定性差和库仑效率低；（2）有机电解液易燃导致的安全性问题；（3）锂枝晶的不断生成和与电解液的副反应不断损耗锂金属负极。此外，在充电和放电过程中固体S和Se的体积膨胀效应会导致活性S或Se从集流体上脱落，导致循环稳定变差和硫和硒的利用率降低。这些问题严重阻碍了锂-硫和锂-硒电池的发展。

【成果简介】

近日，清华大学伍晖副教授联合斯坦福大学崔屹教授（共同通讯作者）提出并设计了基于固体电解质的高能量密度熔融液态Li-S和Li-Se（简称SELL-S和SELL-Se）电池。电池使用Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作为电解质并在高于Li熔点的温度下工作。该策略有效地防止了多硫化物或多硒化物的穿梭效应和锂枝晶的生长，并且使得电池同时兼具高能量密度，高稳定性，快充/放电能力，高库仑效率和高能量效率。这种SELL-S和SELL-Se电池为构建高能量，高功率，长寿命和低成本储能系统提供了更广阔的平台。相关研究成果“High-Energy-Density Solid-Electrolyte-Based Liquid Li-S and Li-Se Batteries”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图一SELL-S和SELL-Se电池系统的结构示意图

（A）SELL-S和SELL-Se电池的结构。锂硫电池

（B）SELL-S和SELL-Se电池盒的光学图像。

（C）使用冷等静压制备S/C二次颗粒的方法。

（D）SELL-S和SELL-Se电池的充电和放电示意图。

图二SELL-S和SELL-Se电池系统的特性

（A）SELL-S电池的CV曲线。

（B）SELL-Se电池的CV曲线。

（C）SELL-S电池在不同充放电状态下的XRD谱图。

（D）SELL-Se电池在不同充放电状态下的XRD谱图。

（E）S/C电极在100％SOC和放电结束时的SEM图像。

（F）Se/C电极在100％SOC和放电结束时的SEM图像。

图三在240°C下运行的SELL-S电池的电化学性能

（A）前5圈，电池的电压-时间曲线，电流密度为8 mA cm-2。

（B）在8 mA cm-2的电流密度下，库伦效率，能量效率和比容量与循环次数的关系。

（C）第20、30和40次充放电的电压-容量曲线。

（D）SELL-S电池的倍率性能。

（E，F）在放电过程（E）和充电过程（F）处于不同充电状态时，SELL-S电池的电化学阻抗谱。

图四SELL-Se电池的电化学性能

（A）240 °C下，SELL-Se电池前5次循环的电压-时间曲线，电流密度为10mA cm-2。

（B）在240 °C下的第50、100和300次充放电循环中的电压-容量曲线。

（C）SELL-Se电池在240°C下的倍率性能。

（D）SELL-Se电池的循环性能。

（E）SELL-Se的电化学阻抗谱。

（F）在4 C的电流密度下将工作温度从240° C增加到300° C时，库仑效率，能效和比容量的变化情况。

（G）SELL-Se电池在大电流密度下的循环性能。

图五SELL-S和SELL-Se电池系统的能量密度计算。

【小结】

崔屹教授研究团队通过使用固态石榴石型LLZTO陶瓷管电解质，成功设计制备了新型的SELL-S和SELL-Se电池体系，该系统在240°C-300°C具有高能量密度和优异的循环稳定性。组装后的电池可实现高库仑效率，高功率输出和高能效。在成本方面，其理论综合成本也优于现有商业化的LIBs。总体而言，SELL-S和SELL-Se电池系统的低成本，高能量密度、优异的电化学性能和高安全性等优势，使其有望未来在大规模储能领域进一步应用。

文献链接：“High-Energy-Density Solid-Electrolyte-Based Liquid Li-S and Li-Se Batteries”(Joule.DOI:10.1016/j.joule.2019.09.003)

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