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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研究院有限公司獲悉，該院朱凌云教授團隊和燕山大學黃建宇教授團隊聯合進行研究，發(fā)現碳包覆層可以改善硫化銻(Sb2S3)電極材料在全固態(tài)鋰電池中的反應動力學，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。相關成果日前發(fā)表在化學與材料領域國際著名期刊《先進功能材料》（《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946 mAh g-1的理論比容量而受到廣泛關注。然而，較低的固有電導率和不可避免的體積膨脹導致其電化學性能較差。硫化銻在合金化反應中體積膨脹較大(≈235%)，引起顆粒粉碎和容量衰減，這對硫化銻的實際應用是一個巨大的挑戰(zhàn)。
研究團隊主要針對這一問題，利用水熱法在活性物質硫化銻納米棒表面構筑一層穩(wěn)定的碳包覆層，制備碳包覆硫化銻材料，進而實現改善材料電導率和緩沖體積變化目的。同時利用負極采用鋰銦（LiIn）合金、固態(tài)電解質采用桂林電器科學研究院有限公司所制備的鋰硅磷硫氯（LiSiPSCl）硫化物電解質（Li10Si0.3PS6.7Cl1.8），正極采用硫化銻材料或硫化銻，組裝全固態(tài)鋰電池對其電化學性能進行評價。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。團隊結合原位透射電鏡(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動力學與機理進行了詳細研究，結果表明，碳包覆層作為一個電子/離子導電通道，大大促進了電極材料中的電荷轉移。而未包覆碳的硫化銻納米棒的插層反應和轉化反應則非常緩慢，合金化反應幾乎受阻，嚴重限制了容量釋放。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)鋰電池中的反應動力學，其結構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，這對設計新型具有良好的電化學性能的金屬硫化物電極具有指導意義。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、有望應用于消費電子和電動汽車高能量存儲系統(tǒng)。
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