原子層沉積用戶分享|研發(fā)高能量密度固態(tài)鋰硫電池

01用戶前沿成果分享

文章：High Sulfur Loading and Capacity Retention in BilayerGarnet Sulfurized-Polyacrylonitrile/Lithium-Metal Batterieswith Gel Polymer Electrolytes

本文作者借助 Forge Nano ATHENA 原子層沉積系統(tǒng)包覆氧化鋅 ALD 涂層，通過流延成型法，不僅成功地加工出厚度能小于 90μm 的 LLZO 電解質(zhì)，而且通過改造 LLZO 結構，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的鋰金屬的循環(huán)而不短路。相關論文發(fā)表在 Advanced Energy Materials 上。馬里蘭大學石昌民博士（現(xiàn)美國布朗大學博士后研究員）為該論文第一作者，Eric D.Wachsman 教授為論文通訊作者。

02文獻解讀

背景介紹

無機固態(tài)鋰硫（Li-S）電池是下一代能源存儲系統(tǒng)，因為硫的低成本和高理論能量密度（2600 Wh kg和2800 Wh L）以及陶瓷固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）的不可燃性。在所有類型的 SSEs 中，硫化物電解質(zhì)和立方相鋰填充石榴石（LiLaZrO, LLZO）電解質(zhì)因其在室溫下的高離子導電性而被視為尤其有希望的候選者。與基于硫化物的 SSE 不同，LLZO 在化學上對鋰金屬更穩(wěn)定，并且在暴露于空氣和水分時不會產(chǎn)生有毒氣體，使其成為固態(tài) Li-S 電池中更可取的 SSE。

文章亮點

本文研究人員借助 Forge Nano 原子層沉積包覆設備，創(chuàng)建了一種創(chuàng)新的凝膠聚合物緩沖層來穩(wěn)定硫陰極/LLZO 界面。

采用薄雙層 LLZO（致密/多孔）結構作為固態(tài)電解質(zhì)，并將硫的負載量大幅提高到 5.2 mg cm，在室溫（22 °C）和無外加壓力的條件下，實現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)，初始放電容量高達 1542 mAh g（放電電流密度為 0.87 mA cm），平均放電容量為 1218 mAh g（放電電流密度為 1.74 mA cm），在 265 次循環(huán)中的容量保持率為 80%。在高含硫量條件下實現(xiàn)這種穩(wěn)定性是開發(fā)潛在商業(yè)化石榴石鋰硫電池的重要一步。

結論

通過在 LLZO 之間添加原位形成的 GPE 層以修改硫正極/LLZO 界面，作者制造的電池展示了穩(wěn)定的表現(xiàn)和良好的能量密度。

對于2M GPE 電池，作者在0.87 mA cm放電時獲得了 1542 mAh g的高初始放電容量，對應于能量密度 223 Wh kg和769 Wh L（電池#1）。此外，2M GPE電池（電池#3）在1.74 mA cm放電的265個循環(huán)中提供了平均放電容量1218 mAh g（80%容量保持）。這種出色的電化學性能主要是由于通過GPE 層穩(wěn)定的 SPAN正極/LLZO 界面。特別是，與1M GPE 中相比，2 和3M GPE中更傾向于 FSI 分解而不是溶劑分解。穩(wěn)定的硫正極/LLZO 界面可能是由于形成了一個緊密和一致的 CEI 涂層，該層保護了硫正極/LLZO 界面，并可能幫助緩解了由于硫正極體積膨脹產(chǎn)生的應力/應變。這種新的電池結構所獲得的穩(wěn)定性和高性能為開發(fā)用于實際應用的石榴石型固態(tài) Li-S 電池提供了有希望的途徑。