Advanced Functional Materials:硫化物固态电解质与无枝晶液态锂负极实现超高电流密度和长循环寿命

由于最低的电化学电位(0 V vs. Li/Li+)和超高的比容量(3861 mAh/g),锂金属负极是高能量密度电池最理想的“圣杯式”负极材料。然而,锂金属由于与有机溶剂的热力学相容性差,而且与有机液体电解质发生严重反应。反应产生的SEI层在循环过程中反复破裂并重新生成,消耗大量电解液和锂金属,导致库伦效率低,循环寿命差。此外,锂金属在连续沉积/剥离过程中,锂枝晶倾向于成核和生长,导致电池内部短路并最终热失控和火灾。

最近,中国科学院物理研究所吴凡、李泓为了解决上述困难,提出一种将液态锂溶液负极Li-Bp-DME、硫化物固体电解质和界面保护层相结合的电池构造。这种构造结合了液体锂溶液负极Li-Bp-DME(能够从本质上抑制锂金属枝晶形核和生长)和硫化物固体电解质(所有固体电解质中最高的室温离子电导率和理想的机械延展性,只需冷压即可实现完全致密层)的优点,从而实现了创纪录的超高电流密度(17.78 mA cm-2)和长循环寿命(近3000h)。同时,系统地研究了锂金属在液态锂负极Li-Bp-DME中的溶解度和液态锂负极Li-Bp-DME的电化学性能,探索出室温电导率最高(12.2 mS cm-1)的最合适的液态锂负极Li-Bp-DME浓度。这项工作为实现高比容量、高能量/功率密度和长循环寿命的二次电池提供了一种有前景的方法和电池配置。本文通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员。

Li-Bp-DME // LPS // Li-Bp-DME 对称电池示意图
图1 | Bp 在 DME 中的溶解。
图2 | BpyDME10 中 Li 的溶解。



图 3 | LixBpy(DME)10 溶液的总电导率
图4 | LixBpy(DME)10溶液的电子电导率
图5 |  LixBpy(DME)10溶液的离子电导率和粘度。
图6 |30℃下Li- Bp-DME//LPS@PEO//Li- Bp-DME对称电池中锂沉积/剥离的电化学性能。

表5-硫化物电解质基锂|锂对称电池性能总结

图7 | a-c, CCD测试。d-f,电池中锂金属负极和裸硫化物电解质沉积行为示意图。
图8 |以Li-Bp-DME为负极的对称电池与以Li-metal为负极的不同电解质的对称电池的临界电流密度和单周面容量对比(详见表6)。

表6-不同电解质对称电池的临界电流密度和单周面容量对比

论文信息:

High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite-Free Liquid Lithium Anode

Jian Peng, Dengxu Wu, Fengmei Song, Shuo Wang, Quanhai Niu, Jieru Xu, Pushun Lu, Hong Li, Liquan Chen, Fan Wu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105776

原文链接:

中科院物理所吴凡、李泓AFM:硫化物固态电解质与无枝晶液态锂负极实现超高电流密度和长循环寿命

摘要:将液态锂溶液负极Li-Bp-DME、硫化物固体电解质和界面保护层相结合的电池构造

由于最低的电化学电位(0 V vs. Li/Li+)和超高的比容量(3861 mAh/g),锂金属负极是高能量密度电池最理想的“圣杯式”负极材料。然而,锂金属由于与有机溶剂的热力学相容性差,而且与有机液体电解质发生严重反应。反应产生的SEI层在循环过程中反复破裂并重新生成,消耗大量电解液和锂金属,导致库伦效率低,循环寿命差。此外,锂金属在连续沉积/剥离过程中,锂枝晶倾向于成核和生长,导致电池内部短路并最终热失控和火灾。

最近,中国科学院物理研究所吴凡、李泓为了解决上述困难,提出一种将液态锂溶液负极Li-Bp-DME、硫化物固体电解质和界面保护层相结合的电池构造。这种构造结合了液体锂溶液负极Li-Bp-DME(能够从本质上抑制锂金属枝晶形核和生长)和硫化物固体电解质(所有固体电解质中最高的室温离子电导率和理想的机械延展性,只需冷压即可实现完全致密层)的优点,从而实现了创纪录的超高电流密度(17.78 mA cm-2)和长循环寿命(近3000h)。同时,系统地研究了锂金属在液态锂负极Li-Bp-DME中的溶解度和液态锂负极Li-Bp-DME的电化学性能,探索出室温电导率最高(12.2 mS cm-1)的最合适的液态锂负极Li-Bp-DME浓度。这项工作为实现高比容量、高能量/功率密度和长循环寿命的二次电池提供了一种有前景的方法和电池配置。本文通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员。

幻灯片1

Li-Bp-DME // LPS // Li-Bp-DME 对称电池示意图

幻灯片3

1 | Bp DME 中的溶解。

幻灯片4

2 | BpyDME10 Li 的溶解。

3 | LixBpy(DME)10 溶液的总电导率

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4 | LixBpy(DME)10溶液的电子电导率

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5 |  LixBpy(DME)10溶液的离子电导率和粘度。

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6 |30Li- Bp-DME//LPS@PEO//Li- Bp-DME对称电池中锂沉积/剥离的电化学性能。

表5-硫化物电解质基锂|锂对称电池性能总结

幻灯片9

图7 | a-c, CCD测试。d-f,电池中锂金属负极和裸硫化物电解质沉积行为示意图。

图8 |以Li-Bp-DME为负极的对称电池与以Li-metal为负极的不同电解质的对称电池的临界电流密度和单周面容量对比(详见表6)。

表6-不同电解质对称电池的临界电流密度和单周面容量对比

论文信息:

High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite-Free Liquid Lithium Anode

Jian Peng, Dengxu Wu, Fengmei Song, Shuo Wang, Quanhai Niu, Jieru Xu, Pushun Lu, Hong Li, Liquan Chen, Fan Wu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105776

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202105776