研究背景
有机硫电极因其高比容量和丰富的结构可调性而受到越来越多的关注。但由于其充放电产物易溶于电解液，导致锂有机硫电池容量的快速衰减，以及锂枝晶的生长，使得锂电池存在严重的安全问题。固体电解质 LLZTO 在锂有机硫电池中的应用有望解决上述问题。首先，固体电解质的使用在一定程度上抑制锂枝晶，减少电解液的使用，从而提高锂电池的安全性，另一方面，固体电解质能阻碍可溶性的正极活性物质的穿梭行为，提高电池的循环性能。
文章简介
基于以上研究背景，郑州大学付永柱教授课题组选择锂化的 1,2-苯二硫酚 (1,2-LBDT) 作为正极活性物质，石榴石电解质作为阻碍正极物质穿梭的固态电解质组装 LLZTO 准固态电池。结果表明，与使用 Celgard 隔膜的电池相比，使用 LLZTO 电解质的电池容量衰减更慢，LLZTO 电池循环 100 次后，电池仍有初始容量的 65.6%，而 Celgard 电池的容量保持率只有 25.8%。随着电池循环的进行，电池的阻抗减小。计算表明，放电产物与 LLZTO 之间有强的相互作用，这使得正极材料与石榴石的界面趋于稳定。循环后的 LLZTO 的 XRD 图谱和 SEM 图表明电解质的结晶结构和形貌没有明显的变化，证明 LLZTO 与有机硫正极有较好的稳定性。本工作的结果对研究其他固态有机硫电池和开发氧化还原液流电池具有重要的参考价值。
▲ | 图 1. a) 以LBDT 为正极的 LLZTO 电池结构示意图。b) LLZTO 电池的 CV。c) 以 C/10 倍率循环的 LLZTO 和 Celgard 电池的电压曲线。d) LLZTO 和 Celgard 电池的循环性能。e) LLZTO 电池的倍率性能。 |
▲ | 图 2. a) 初始的和b) 优化后的充电产物(Ph2S4)在 LLZTO 表面的结构。c) 起始的和b) 优化后的放电产物(LiSPhSLi)在 LLZTO 表面的结构。紫色是锂、红色是氧、灰色是碳、白色是氢、黄色是硫、青色是锆或钽。 |
▲ | 图 3. a) 未循环的和循环后的 LLZTO 电解质的 XRD 图谱。b）LLZTO 电池在不同循环圈数后的奈奎斯特图，正极电解液的浓度为 0.10 M。c）LLZTO 电解质循环后的 SEM 和 EDS 图，d）La，e）Ta，f）Zr 和 g）S。 |
▲ | 图 4. 50 次循环后，LLZTO 电解质表面在离子溅射前后的 XPS 图谱，a) C 1s、b) La 4d、c) S 2p 和 d) O 1s 光谱。 |
论文信息
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, 郑州大学)
Chem. Commun., 2022,58, 3657-3660
http://doi.org/10.1039/D2CC00013J
郑州大学 郑州大学主要作者
金阳，郑州大学电气学院教授，博士生导师。2012 年本科毕业于郑州大学电气工程学院，2017 年博士毕业于西安交通大学电气工程学院。2014 年至 2016 年博士在读期间受国家留学基金委资助赴美国公派留学，2014 年 9 月至 2015 年 8 月在麻省理工学院李巨教授课题组进行联合培养博士学习，2015 年 9 月至 2016 年 8 月在斯坦福大学崔屹教授课题组进行联合培养博士学习。先后以第一/通讯作者身份在 Nature Energy, Nature Commun., Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., PNAS, JMCA 等学术期刊发表 20 余篇论文。主要研究方向为电网规模化电池储能技术和电化学储能电站安全性。
郑州大学
司玉冰，郑州大学化学学院副教授，硕士生导师。2012 毕业于厦门大学，2016-2018 在美国印第安纳大学-普渡大学印第安那波利斯分校(IUPUI)，从事博士后研究。先后以第一/通讯作者身份在Nature Commun., Angew. Chem., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., 等学术期刊发表 20 余篇论文。主要研究方向为理论与计算化学，超快电子转移过程，微观反应动力学，大数据及材料高通量筛选。
郑州大学
付永柱，郑州大学化学学院特聘教授，博士生导师。2007 年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业。2017 年回国前在印第安纳大学-普渡大学联合分校担任助理教授。目前承担 NSFC-河南联合重点项目、国家自然科学基金面上和河南省创新引领专项课题等项目。研究领域包括高能量电池电极材料、高离子选择性膜材料、及高效催化材料。已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Commun., Acc. Chem. Res. 等国际著名期刊上发表论文 130 余篇。担任能源领域期刊 Energy & Environmental Materials 副主编。
