基于PEO基复合电解质的固态锂硫电池及其电极/电解质界面研究

作     者：陈爽 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁兵

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：固态锂硫电池 复合电解质 电极/电解质界面 循环稳定性 库仑效率 

摘      要：锂硫电池因具有理论能量密度高、成本低和环境友好等优点备受关注。然而,锂硫电池目前依然面临着实际能量密度低、容量衰减快及库仑效率低等关键挑战,其中主要原因之一是充放电中间产物多硫化锂在有机电解液中的溶解与“穿梭效应。用固态电解质代替液态电解液构建固态锂硫电池是一种有效的解决策略。聚氧化乙烯(PEO)基聚合物电解质具有轻质、柔性、可实现卷对卷制备等优点,可构建高能量密度、长循环寿命固态锂硫电池。然而,PEO基聚合物电解质也面临室温离子电导率低、离子迁移数低、电极/电解质界面稳定性差等关键问题。围绕上述问题,本论文主要从PEO基电解质的离子传导性能改善以及电极/电解质界面优化等方面出发,构建了基于复合电解质的固态锂硫电池,并发展了多种电极/电解质界面的改性策略,进而显著改善了固态锂硫电池的电化学性能。本论文的主要研究内容包括:(1)以高离子电导率的无机电解质LiPS(LPS)颗粒为PEO基聚合物电解质的活性填料,制备了有机-无机复合电解质(CPE)。LPS活性填料提高了电解质的离子电导率和离子迁移数,抑制锂枝晶的生长及多硫化锂的“穿梭效应。研究结果表明,在60℃及0.2 C电流密度下,基于10wt.%LPS的复合电解质(CPE-10)的固态锂硫电池初始放电比容量达816 m Ah g,循环60圈后仍具有956 m Ah g的放电比容量。在此基础上,采用Li-B合金负极进一步显著改善了固态锂硫电池的循环稳定性。经过200圈循环后,基于Li-B合金负极与复合电解质的固态锂硫电池仍保持有767 m Ah g的放电比容量,并且循环过程中电池库仑效率维持在95%以上。(2)以PS为PEO基聚合物电解质的多功能添加剂制备了复合电解质。研究结果表明,PS可作为无机填料提高电解质的离子电导率,同时可与金属锂发生反应原位生成高离子电导率LiPS钝化层。金属锂表面LiPS钝化层抑制了锂枝晶的生长,基于改性固态电解质的Li-Li对称电池可稳定循环1300小时。同时,钝化层有效缓解了多硫化锂的“穿梭效应。基于碳/硫正极、PS改性复合电解质的固态锂硫电池在60℃及0.2 C电流密度下,首次放电比容量可达900m Ah g,循环350圈后比容量依然维持有490 m Ah g,库仑效率可维持92%以上。(3)以6μm厚的聚丙烯(PP)多孔隔膜为骨架,通过溶液浇筑制备了厚度仅为25μm的超薄电解质膜(PP-SPE)。研究结果表明,PP-SPE缩短了离子传输距离,且PP隔膜骨架有效提升了电解质的机械强度,有效抑制了锂枝晶的生长,解决了长循环过程中电池短路等问题。在此基础上,通过原子层沉积(ALD)技术在金属锂表面可控沉积了AlO界面修饰层,AlO与金属锂反应形成的Li Al O导离子层,有效缓解了多硫化锂在PEO内的“穿梭效应。基于超薄复合电解质与AlO改性金属锂的固态锂硫电池,在60℃及0.1 C下首次放电比容量达840 m Ah g,循环200圈后仍具有588 m Ah g的放电比容量,同时保持91%以上的库仑效率和低的自放电率。