固态锂硫电池正极高效离子通道的构建及输运机制

Solid-state lithium-sulfur batteries are recognized as a research hotspot of a new generation of electrochemical energy storage systems, as they have high energy density and high safety. Due to the discontinuity of the ion channels for solid-state lithium-sulfur batteries, the migration process of ions in solid materials needs to overcome higher energy barriers, which greatly affects the rate performance and cycle performance of the solid-state lithium-sulfur battery. Therefore, it is necessary to construct an efficient ion transport channel.. Aiming at the key problem for the transport of ions between active materials and solid electrolytes in the cathode electrode of solid lithium-sulfur battery, this project intends to prepare the nano-composite sulfur cathode by the bottom-up liquid phase method. Combining the computational simulation and experiment, the effect of ion transport channels on the electrochemical performance of the battery will be investigated and the ion transport law will be studied. By controlling the microstructure of the composite sulfur cathode electrode, the composite sulfide cathode electrode with high ion conductivity is obtained. This research will provide theoretical basis for designing and developing high-performance solid-state lithium-sulfur batteries.

固态锂硫电池具有能量密度高、安全性高等显著优势，使其成为新一代电化学储能系统的研究热点。由于固态锂硫电池中离子通道的不连续性，导致离子在迁移过程中需要克服更高的能垒，极大地影响了固态锂硫电池的倍率性能以及循环性能。因此，有必要构筑高效的离子输运通道。. 本研究针对固态锂硫电池正极中活性物质与固态电解质间离子输运这一关键问题，拟通过自下而上的液相法制备纳米复合硫正极，采用计算模拟和实验相结合的手段，探究离子输运通道对电池电化学性能的影响，明确离子输运机制，据此调控复合硫正极的微观结构，以期获得高离子电导率的复合硫化物正极，为设计和开发高性能固态锂硫电池提供理论依据。

全固态锂硫电池具有极高的理论能量密度与安全性，是极具前景的下一代储能系统。高模量的固态电解质不仅可以抑制锂枝晶生长，还可以从根本上消除多硫化物的穿梭效应，有望提升锂硫电池的安全性和循环寿命。由于固态锂硫电池中离子通道的不连续性，导致离子在迁移过程中需要克服更高的能垒，极大地影响了固态锂硫电池的倍率性能以及循环性能。因此，有必要构筑高效的离子输运通道。本课题针对固态锂硫电池离子输运机制缺乏认识的现状，通过实验，指导复合硫正极结构设计和调控，构建高效离子通道，明确离子输运机制，为开发高载硫、长循环固态锂硫电池提供科学依据。. 本研究的重要结果和关键数据如下：（1）在较高硫含量40 wt.%的前提下，通过对比电子导体碳纳米管与离子导体Li10GeP2S12的相对含量对于电池性能的影响，探索正极中离子与电子输运传递的相对平衡，发现碳纳米管含量在15 wt.%和Li10GeP2S12含量在45 wt.%时，全固态锂硫电池兼具高的放电比容量与循环稳定性；（2）通过3.0 μL cm−2 HFE-DME LiTFSI高盐液态电解液润湿金属锂与固态电解质界面，Li–S固态软包电池的界面阻抗得到改善，在0.01 C及0.02 C下，比容量达到了1100 mAh g−1与932 mAh g−1；（3）鉴于实际应用，难以获得大规模的固体硫正极，通过筛选各种溶剂和粘合剂含量，采用浆涂工艺实现了大规模生产固态硫正极，组装了基于硫化物电解质的全固态锂硫软包电池，初始放电容量为1169 mAh g-1，且具有高的循环稳定性。. 整体来讲，本项目以固态锂硫复合正极为抓手，构筑固态锂硫电池正极的离子-电子通道、改善活性物质与电解质、导电骨架间离子及电子的转移。在此基础研究工作基础上，成功制备了固态锂硫软包电池。