Li6PS5Br硫化物固态电解质的制备及其全固态锂电池的界面改性

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基于无机固态电解质的全固态锂电池具有安全性好、能量密度高、工作温度范围宽、循环寿命长等优点,被视为极有前途的下一代储能设备。硫化物电解质的室温离子电导率较高、机械性能良好,得到学术界和工业界广泛研究。本文首先探索硫化物固态电解质的最佳制备工艺;其次,对硫化物固态电解质与正极材料的界面进行了改性,制备了高性能的固态复合正极,从而提高全固态锂电池的可逆容量和循环寿命。主要研究内容如下:(1)通过固态烧结法制备了Li6PS5Br固态电解质,并研究不同烧结温度和不同升温速率对Li6PS5Br固态电解质的物相和离子电导率的影响。实验结果表明,以0.5℃min-1的升温速率到达550℃的烧结温度能够得到较纯物相的Li6PS5Br电解质,其在常温下的离子电导率能达到1.22 m S cm-1,其活化能为0.36 e V。另外,该电解质具有较宽的电化学稳定窗口、较高的锂离子迁移数和良好的成型性,因此Li6PS5Br电解质适合应用于全固态锂电池。(2)选用Fe7S8作为活性物质,采用简单的球磨方法制备Fe7S8–Li6PS5Br复合电极,并研究不同的碳类型对电化学性能的影响。对比了不含有导电碳、添加导电碳粒(Super-P)和添加导电碳纤维(VGCF)的复合电极的充放电容量后,发现采用VGCF作为导电剂的复合正极具有最优的电化学性能。主要原因是VGCF具有较高的电子电导率;同时,纤维状VGCF在复合正极中形成网络,提高了电解质与电极材料的接触面积。以VGCF为导电碳的固态复合正极在0.045 m A cm-2电流密度下的首圈放电容量高达754.1 m Ah g-1,而在0.45 m A cm-2的大电流密度下仍贡献出64.2 m Ah g-1的可逆容量。(3)为了进一步改善固态复合电极的电化学性能,采用浸渍法制备Fe7S8–Li6PS5Br复合电极材料。使用无水乙醇对Li6PS5Br电解质溶液化处理,发现Triton X100分散剂的加入能够提高溶剂处理后的电解质的纯度和离子电导率,干燥后电解质的离子电导率达到0.67 m S cm-1,能满足应用于固态电池的要求。由于电解质能够渗透到多孔电极的孔隙中并形成畅通的离子传输网络,该复合正极组装成的全固态电池表现出优异的电化学性能。其在0.045 m A cm-2电流密度下的可逆容量为527 m Ah g-1,循环充放电100圈后可逆容量保持在560 m Ah g-1。当电流密度为0.45 m A cm-2时,其可逆容量高达189m Ah g-1,约为球磨法制备复合正极容量的3倍。
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