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鋰硫電池被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮吣芰棵芏葍δ芷骷唬湔龢O材料單質(zhì)硫的理論比容量和比能量可高達(dá)1675 mAh/g和2567 Wh/kg，是目前商用鋰過渡金屬氧化物正極的五倍。然而，傳統(tǒng)鋰硫電池的安全性與循環(huán)性能差是其面臨的主要挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了商業(yè)化進(jìn)程。采用無機(jī)固體電解質(zhì)取代傳統(tǒng)有機(jī)電解液的全固態(tài)鋰硫電池，能夠有效抑制多硫化物的產(chǎn)生，從而消除其穿梭效應(yīng)，并能大幅提高其安全性，是未來鋰硫電池發(fā)展的重要方向。
盡管全固態(tài)鋰硫可以解決目前傳統(tǒng)鋰硫電池面臨的問題，然而其帶來了新的挑戰(zhàn)，如固-固界面問題以及應(yīng)力/應(yīng)變等效應(yīng)導(dǎo)致的電池容量衰減等問題，是影響全固態(tài)鋰硫電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵。近日，中國科學(xué)院寧波材料與工程研究所固態(tài)鋰電池團(tuán)隊(duì)研究員姚霞銀領(lǐng)導(dǎo)的小組與美國馬里蘭大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了一種新型硫正極結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰硫電池，通過在還原氧化石墨烯上沉積超薄（~2nm）非晶態(tài)納米硫?qū)颖３謴?fù)合材料的高的電子傳導(dǎo)率，進(jìn)而將還原氧化石墨烯/硫復(fù)合材料均勻分散在超鋰離子導(dǎo)體Li10GeP2S12基復(fù)合材料中，從而實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和低的應(yīng)力/應(yīng)變。以上述還原氧化石墨烯/硫復(fù)合材料-Li10GeP2S12-乙炔黑混合物作為正極層，Li10GeP2S12/改性Li3PS4雙層電解質(zhì)作為固態(tài)電解質(zhì)層，金屬鋰為負(fù)極組裝全固態(tài)鋰硫電池，其充放電曲線與傳統(tǒng)鋰硫電池截然不同，只有一對充放電平臺，顯著抑制了多硫化物的產(chǎn)生。
60°C條件下，0.05C首次放電容量為1629 mAh/g，首次庫倫效率達(dá)到90%；同時(shí)顯示出優(yōu)異的倍率性能，在0.1C，1.0C和2.0C不同倍率進(jìn)行充放電，發(fā)揮出1384.5，903.2和502.6 mAh/g的可逆容量；1.0 C大倍率長循環(huán)充放電下，循環(huán)750圈后仍可以保持830 mAh/g的可逆容量，電池單次循環(huán)容量衰減率僅為0.015%，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)鋰硫電池顯著提升的循環(huán)性能。
相關(guān)工作發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials，2017，doi: 10.1002/aenm. 201602923）。
上述研究工作得到了中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA09010201）、國家自然科學(xué)基金（51502317）、中科院青年促進(jìn)會（2017342）等項(xiàng)目的支持。
全固態(tài)鋰硫電池結(jié)構(gòu)示意圖及電池性能
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