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Chem. Eur. J. :氢气热还原法改性导电助剂助力维持硫化物全固态电池容量保持率2024-05-03
吉林大学姚诗余、杜菲、徐大任等人报道了一种基于氢气热还原法改性导电助剂的策略。氢气热还原法具有简单、耗能低的特点,能有效去除导电助剂的表面含氧官能团,从而削弱导电助剂与硫化物固态电解质之间的界面副反应,进而充分发挥其提升混合正极电子电导率的作用,使全固态电池在几乎不损失容量保持率的前提下,大幅提升电池容量。

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图1 氢气热还原法示意图

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图2 A 正极含1wt % Super P、1wt % R-Super P以及不含导电助剂的全固态电池在0.1C电流密度下的电池循环性能;B 正极含Super P和R-Super P循环前后的界面和粒子传输示意图

随着人类社会对电池能量密度以及安全性需求的逐步提升,硫化物全固态电池(ASSLBs)引发了科学界的广泛关注,但是由于硫化物固态电解质的化学/电化学不稳定性引发的硫化物固态电池的界面问题,限制了其商业化进展。

目前,Super P作为一种导电助剂,在商业化的液态锂离子电池中被广泛应用。但是多数报道表明,其在硫化物全固态电池领域并不具备良好的适配性。其表面的含氧官能团会与硫化物全固态电解质发行氧化还原反应,产生具备高离子迁移阻抗的相,使电池性能发生严重衰减。

基于上述问题,吉林大学姚诗余、杜菲、徐大任等人提出氢气热还原法,以价格低廉且应用广泛的Super P作为研究对象,氩/氢混合气氛下,800 °C热处理2 h即可去除Super P的表面含氧官能团,获得表面清洁的R-Super P(图1)。Li6PS5Cl-CA/Li6PS5Cl/In-Li电池(CA=Super P、R-Super P)的一系列表征表明了R-Super P与Li6PS5Cl的副反应较弱,R-Super P-Li6PS5Cl界面在反复的高电压中能维持较好的离子传输能力。以LiNi0.90Co0.06Mn0.04O2为正极组装全固态电池,基于R-Super P的ASSLBs的容量保持率(81.8%)明显高过基于Super P的ASSLBs(64.6%)(图2A)。对电池的电化学机理测试以及界面化学演化表征均说明,热还原法有效削弱了Super P与Li6PS5Cl的界面副反应(图2B)。另外,与热还原处理后的R-Carbon fiber相比,基于R-Super P的 全固态电池表现出了优异的电化学性能。

此前,制备要求高、成本高的1D导电助剂(Carbon fiber、VGCF等)因具备较小的比表面积,在硫化物全固态电池领域颇受研究者青睐,而本工作打破了0D导电助剂与硫化物全固态电池中不适配的固有观念,强调了导电助剂的表面含氧官能团在硫化物全固态电池领域的重要性,利用简单手段使目前大家并不看好的Super P在改性后也表现出了优异的电化学性能,这对开发低成本商业化硫化物全固态电池有重要意义。

文信息

Engineering Detrimental Functional Groups in Conductive Additives Toward High-Performance All-Solid-State Batteries

Jianqing Li,Prof. Daren Xu,Prof. Shiyu Yao,Prof. Fei Du

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202400074

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