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一举三得 ——基于锡(Sn)元素替换的高性能硫化物电解质用于全固态锂金属电池

cls2021-06-23 13:39:29有机锡百科423来源:有机锡_有机锡化合物

为了解决当下基于液态电解液的锂离子电池能量密度低,安全性不高的问题,研究者提出发展新型的基于硫化物基电解质的全固态锂金属电池。然而,对于硫化物电解质,目前有两大问题正阻碍其进一步发展。一、锂金属负极兼容性差。几乎所有的被报道的硫化物电解质都会被金属锂还原。另外,因为在硫化物/金属锂界面不稳定的锂沉积,同样会产生锂枝晶,而使得电池失效。二、空气不稳定性。因为硫化物电解质中正五价的磷(P)对空气中的氧(O)具有非常强的亲和力,所以硫化物电解质在空气中能与水反应,从而放出硫化氢(H2S)气体。为了缓解硫化物/锂负极界面的不兼容性,研究者曾多次报道富含I或者是F的锂负极界面层有益于金属锂发生稳定的沉积/去沉积。特别是当电解质本身就含I时,通过电化学反应,原位形成的含I界面层能够起到非常好的锂负极保护作用。但是目前,合成具有优异的室温离子电导率(>10-4 S/cm),同时又具有良好的空气稳定性的硫化物电解质仍然是一个巨大的挑战。从目前报道的文献来看,基于Li-Sn-S体系的一类电解质(Li4SnS4和Li2SnS3)是仅有的一类在空气中能够稳定存在的硫化物电解质(导锂离子),但是其室温离子电导率只位于10-5 S/cm级别。硫银锗矿型的Li6PS5I(LPSI)硫化物电解质,本身富含I,因而被认为具有不错的锂金属兼容性。但是,其室温离子电导率只有~10-6 S/cm。另外,与其他硫化物一样,其在空气中也不稳定。

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加拿大西安大略大学孙学良教授课题组运用锡(Sn)部分替换了硫银锗矿型LPSI硫化物电解质中的磷(P),制备了新型的具有Sn替换的固态电解质:LPSI-xSn(x是Sn替换百分比)。多方面测试结果显示:LPSI-20Sn电解质的室温离子电导率与LPSI电解质相比,提高了125倍,达到了3.5×10-4 S/cm。高离子电导率让这一富含碘(I)元素的电解质能够用作稳定的锂金属负极夹层,使得全固态锂金属电池在室温下就能顺利工作。更加重要的是,得益于在空气中能够稳定存在的Sn-S键,该硫化物电解质的空气稳定性也得到了显著的提升。这一一举三得的元素替换策略为我们继续探索、开发新型的高性能硫化物电解质提供了新的指导思想。

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