原子層沉積用戶(hù)分享|研發(fā)高能量密度固態(tài)鋰硫電池

01用戶(hù)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 原子層沉積系統包覆氧化鋅 ALD 涂層，通過(guò)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(guò)改造 LLZO 結構，能夠實(shí)現非常高的鋰金屬的循環(huán)而不短路。相關(guān)論文發(fā)表在 Advanced Energy Materials 上。馬里蘭大學(xué)石昌民博士（現美國布朗大學(xué)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(wú)機固態(tài)鋰硫（Li-S）電池是下一代能源存儲系統，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(lèi)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(xué)上對鋰金屬更穩定，并且在暴露于空氣和水分時(shí)不會(huì )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(diǎn)

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(lái)穩定硫陰極/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(wú)外加壓力的條件下，實(shí)現了穩定的循環(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(shí)現這種穩定性是開(kāi)發(fā)潛在商業(yè)化石榴石鋰硫電池的重要一步。

結論

通過(guò)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定的表現和良好的能量密度。

對于2M GPE 電池，作者在0.87 mA cm放電時(shí)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(gè)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(xué)性能主要是由于通過(guò)GPE 層穩定的 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。穩定的硫正極/LLZO 界面可能是由于形成了一個(gè)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定性和高性能為開(kāi)發(fā)用于實(shí)際應用的石榴石型固態(tài) Li-S 電池提供了有希望的途徑。