半固态锂硫电池多级结构/界面构筑及稳定机制研究

The continuous consumption of electrolyte and gas-release caused by severe side reaction of lithium metal and liquid electrolyte, and the flammability of ether electrolyte heavily hindered the practical application of present lithium sulfur batteries. In this project, we propose the fabrication of new type semi-solid lithium sulfur batteries to avoid aforementioned issues caused by the ether electrolyte. To improve the performance of semi-solid lithium sulfur batteries, we aim to construct hierarchical lithium metal/solid electrolyte composite anodes and high ionic conductive polymer composite electrolytes by taking our advantages on nanomaterials synthesis and assembly. We will also build up in-situ characterization techniques to explore the evolution of structures and interfaces between electrodes and solid electrolytes in semi-solid lithium sulfur batteries at the microscale. The ultimate goal of this project is to realize the optimization of semi-solid system including solid lithium metal composite anode, polymer composite electrolyte, and nano-sulfur composite cathode, providing new strategies and pathways to fabricate high energy density, long life-span, and safe lithium sulfur batteries.

基于醚类电解液的锂硫电池中锂金属与电解液副反应导致的电解液消耗和电池“胀气”问题，以及醚类电解质易燃等低安全性问题，使得锂硫电池的实用化发展进入一个瓶颈期。采用固态电解质部分取代传统的液态电解质有助于解决锂硫电池的上述稳定性和安全性问题，有望进一步推进锂硫电池的实用化。本项目以构建安全、稳定的高能量密度半固态锂硫电池新体系为主线，从新型微纳结构电极/电解质材料的合成出发，制备循环稳定的锂金属-固态电解质复合负极，高比容量的半固态硫复合正极，以及高锂离子电导率的有机-无机复合固态电解质，并结合微观尺度下电化学原位表征手段揭示半固态锂硫电池中不同界面的演化和稳定相关机制，实现半固态锂硫电池中复合锂金属负极-复合固态电解质-复合硫正极体系的整体优化，发展提高半固态锂硫电池能量密度、循环寿命和安全性的新策略和新途径。

采用固态电解质取代传统的液态电解质有助于解决锂硫电池的稳定性和安全性问题。以构建安全、稳定的高能量密度半固态锂硫电池新体系为主线，本项目通过新型金属卤化物固态电解质的结构设计，开发了负极稳定性好、电化学窗口宽的金属卤化物快离子导体，实现了同时具备高安全性和循环稳定性的全固态锂电池。同时，针对电极材料进行改性，优化了电极材料内部的离子传导，提升了锂电池快充下的稳定性问题。取得的主要研究结果包括：设计并制备了有机/无机杂化碱土金属基钙钛矿固态电解质MASr0.8Li0.4Cl3，并利用其元素组成的低电负性，实现了与锂锡合金负极的稳定循环；通过计算揭示了双金属卤化物钙钛矿Cs2LiYCl6晶格中锂离子的B位传导机制，并通过实验验证了其具有快离子传导的特性；利用机器学习预测并实验合成了层状金属卤化物锂离子导体Li2ZrCl6，并基于Li2ZrCl6实现了金属卤化物基全固态锂金属电池；通过对铌钛氧负极从原子尺度引入氧空位到电极尺度构建高速电子离子传输网络的跨尺度设计，同时提升了铌钛氧负极本征以及电极整体的离子和电子传导；通过简便的溶液喷丝技术，在锂镍锰氧正极中使用了痕量多重Cr-Fe-Cu共掺杂策略，实现了厚锂镍锰氧电极（≈25 mg cm-2）的优异循环稳定性；报道了一种低成本、稳定且能作为电解液中直接氟离子供体的多孔LiF纳米盒子，其在锂金属负极上形成氟化 SEI 层从而起到稳定锂金属负极的作用；开发了一种无聚合物-粘结剂的浆液制备石墨负极的路线，可以普适地在石墨负极中构建一种新型粒径-孔隙度双梯度结构，大幅度提升了锂离子电池的快充性能；发现金属间化合物LixCu6Sn5的快速导锂特性，并应用到提升锂电池高倍率下循环稳定性提升方面。在项目的资助下，我们在国内外核心期刊共发表研究论文33篇，授权专利3项。我们所提出的金属卤化物固态电解质的结构设计以及电极材料的动力学优化为实现高安全、长循环、快速充放电的锂电池提供了新的策略和思路。