基于三明治结构固态电解质的纳米复合固态硫正极的稳定机制

The solid-state lithium sulfur batteries (SSLS) are promising canidates for high energy density storage area. However, the solid-state sulfur cathode (SSLC) and solid-state electrolyte (SSE) of traditional SSLS suffered from low sulfur loading content, poor ion conductivity, limited interface contact and unstability, leading to limited practical application. Herein, we propose to improve the SSLC electrochemical perfromance and sulfur ultilization efficiency by electronic and ion conductivity enhancement through feasible material and structure design. For SSE, we put forward the sandwich structure composite SSE design to give consideration to electrode/electrolyte contact, stability, ion conductivity and lithium polysulfides suppression. By advanced in-situ characterization technique, we could clarify the mechanism of interface evolution and stability of SSLS, providng new strategies and theoretical support for better SSLS.

固态锂硫电池具有能量密度高、循环稳定和安全性好等特点，因而在电化学储能领域具有广泛应用前景。然而，传统固态锂硫电池的硫正极和固态电解质在活性物质载量、离子传导、界面接触性和界面稳定性等方面的不足之处制约了其实际应用。本项目拟通过合理的材料和结构设计制备纳米尺度均匀复合的固态硫正极，通过提升电子和离子的传输能力，提升活性物质的利用率，改善固态锂硫电池的电化学性能。同时，在上述高性能硫电极制备的基础上，提出三明治结构复合固态电解质的优化设计，兼顾电极/电解质界面接触性、稳定性、离子电导率和抑制多硫化锂穿梭等因素，以协同提升固态锂硫电池的循环性能和倍率性能。通过先进的原位表征手段来揭示固态锂硫电池中不同界面的演化和稳定作用相关机制，为电化学性能的进一步优化提供新策略和理论支持。

一直以来，锂硫电池由于其极高的理论能量密度，被认为是理想的化学储能体系。但是，锂硫电池的倍率性能以及循环稳定性依然难以满足实际需求。此外，金属锂负极由于枝晶、死锂等问题，循环寿命差并且存在安全隐患，需要进一步进行性能改善。在本项目执行期间，我们设计了纳米金属碳化物颗粒与碳纳米纤维复合材料作为框架材料，由于碳化物纳米颗粒良好的电催化性能，加速了多硫化锂分子互相之间转化反应的化学反应速度，显著抑制了可溶性多硫化锂导致的“穿梭效应”，1C循环500圈后，平均容量衰减速度只有0.06%。锂金属负极方面，我们基于天然硅藻土模板材料设计制备了三维复合金属锂负极，循环500圈容量衰减速度仅为0.04%。同时，我们还发展了钙钛矿修饰层保护的金属锂负极技术，在实际电池循环参数下可稳定运行100圈。此外，本项目还发展了一种具有多级结构的氟化锂纳米颗粒制备方法，用作电解液添加剂时，显著提升了锂金属电池的循环稳定性。用于3500 mAh的软包电池中时，能量密度大于380 Wh/kg，可循80圈，具有良好的应用潜力。项目期间，共发表论文6篇，获得2项发明专利授权，取得了丰富的研究成果。