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蔣易蓉 科技日報記者 劉昊
近日，記者從桂林電器科學(xué)研究院有限公司獲悉，該院朱凌云教授團(tuán)隊和燕山大學(xué)黃建宇教授團(tuán)隊聯(lián)合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳包覆層可以改善硫化銻(Sb2S3)電極材料在全固態(tài)鋰電池中的反應(yīng)動力學(xué)，證明硫化銻材料(Sb2S3@C)是一種很有前途的高能量密度全固態(tài)鋰電池正極。相關(guān)成果日前發(fā)表在化學(xué)與材料領(lǐng)域國際著名期刊《先進(jìn)功能材料》（《Advanced Functional Materials》）上。
硫化銻作為一種極具發(fā)展前景的電極材料，因其高達(dá)946 mAh g-1的理論比容量而受到廣泛關(guān)注。然而，較低的固有電導(dǎo)率和不可避免的體積膨脹導(dǎo)致其電化學(xué)性能較差。硫化銻在合金化反應(yīng)中體積膨脹較大(≈235%)，引起顆粒粉碎和容量衰減，這對硫化銻的實際應(yīng)用是一個巨大的挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊主要針對這一問題，利用水熱法在活性物質(zhì)硫化銻納米棒表面構(gòu)筑一層穩(wěn)定的碳包覆層，制備碳包覆硫化銻材料，進(jìn)而實現(xiàn)改善材料電導(dǎo)率和緩沖體積變化目的。同時利用負(fù)極采用鋰銦（LiIn）合金、固態(tài)電解質(zhì)采用桂林電器科學(xué)研究院有限公司所制備的鋰硅磷硫氯（LiSiPSCl）硫化物電解質(zhì)（Li10Si0.3PS6.7Cl1.8），正極采用硫化銻材料或硫化銻，組裝全固態(tài)鋰電池對其電化學(xué)性能進(jìn)行評價。實驗中硫化銻材料正極的首圈循環(huán)放電容量為711 mAh g-1，穩(wěn)定循環(huán)容量為431 mAh g-1，遠(yuǎn)高于未包覆的硫化銻正極的首圈循環(huán)放電容量125 mAh g-1和穩(wěn)定循環(huán)容量320 mAh g-1。團(tuán)隊結(jié)合原位透射電鏡(TEM)與密度泛函理論(DFT)對硫化銻材料和硫化銻電極材料的鋰化與脫鋰化反應(yīng)動力學(xué)與機理進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明，碳包覆層作為一個電子/離子導(dǎo)電通道，大大促進(jìn)了電極材料中的電荷轉(zhuǎn)移。而未包覆碳的硫化銻納米棒的插層反應(yīng)和轉(zhuǎn)化反應(yīng)則非常緩慢，合金化反應(yīng)幾乎受阻，嚴(yán)重限制了容量釋放。因此，所合成的硫化銻材料電極具有比未包覆硫化銻電極更高的容量和倍率性能。
該研究結(jié)果表明，碳包覆層可以改善硫化銻電極材料在全固態(tài)鋰電池中的反應(yīng)動力學(xué)，其結(jié)構(gòu)的相變路徑研究將為鋰離子在電極材料中的擴散機制提供了重要的見解，這對設(shè)計新型具有良好的電化學(xué)性能的金屬硫化物電極具有指導(dǎo)意義。同時該研究也證明了LiIn/LiSiPSCl/Sb2S3@C- LiSiPSCl -C全固態(tài)鋰電池是一種很有前途的、有望應(yīng)用于消費電子和電動汽車高能量存儲系統(tǒng)。
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