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实现高性能全固态锂电池、循环寿命长达2600周的“晶界电子绝缘”

时间:2022-12-14 来源: 浏览:

实现高性能全固态锂电池、循环寿命长达2600周的“晶界电子绝缘”

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导读: 据外媒消息, 加拿大西安大略大学孙学良院士团队提出了一种晶界电子绝缘(GBEI)策略,用电子绝缘的SPE来定制Li6PSCl5(LPSCl)的晶界,用于抑制Li枝晶和自放电现象。此外,在LPSCl表面上的SPE起到隔离LPSCl和湿气的保护层的作用,提高了湿度稳定性。

该成果以“Grain Boundary Electronic Insulation for High-Performance All-Solid-State Lithium Batteries”为题目发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。第一作者为杨晓飞博士,高雪洁博士,姜明博士。

相比于锂离子电池(LIBs)技术,全固态锂电池(ASSLBs)使用不可燃固态电解质(SSEs)匹配金属锂负极,具有更高的安全性和能量密度,使其备受关注。 在不同的SSE系统中,硫化物SSEs被认为是ASSLBs应用的最有希望的候选者之一,因为与固体聚合物电解质(SPEs)相比,它们具有较高的离子传导性,与刚性氧化物SSEs相比,具有更好的电极/电解质界面兼容性。

最新研究结果表明,SSEs的不可忽略的电子传导性是Li枝晶在块状SSEs中生长的根源。晶界(GBs)具有较低的带隙,Li + 在这里被电子优先还原,形成局部Li丝,这可以很好地解释Li枝晶沿着GBs生长的现象。

基于这一理论,阻断GBs处的电子传输可以被视为抑制ASSLBs中锂枝晶形成的有效策略。此外,SSEs和GBs的不可忽略的电子传导性可以导致电子在ASSLBs内部的传输,因此导致严重的自放电现象。

孙学良院士团队研究结论如下:
1)基于GBEI基LPSCl的三个理论优势。首先,SPE可以平稳地传输Li+,同时阻止GBs处的电子传输,这有助于抑制Li枝晶生长。其次,在SPE可以限制体相LPSCl中的电子传输,有利于抑制自放电和提高循环稳定性。最后,覆盖在LPSCl表面上的SPE起到隔离LPSCl和湿气的保护层的作用,提高了湿度稳定性。
2)基于GBEI基LPSCl的Li-Li对称电池在0.5 mA cm-2下稳定循环超过1000小时(每半个循环2小时),其循环寿命是使用未改性的LPSCl的电池的30倍以上。如此强的Li枝晶抑制能力使得Li-LiCoO2(LCO)全电池性能在0.5 mA cm-2下稳定超过2600次循环。
此外,基于GBEI的LPSCl显示出更好的抗湿性能,其离子电导率衰减速率比未改性的LPSCl慢三倍。同时,使用GBEI基LPSCl的全电池在完全充电状态下休息一周仍可提供96.1%的高库仑效率,比其对手高出8%,突出了GBEI策略的自放电抑制功能。

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