原子層沉積用戶分享|研發高能量密度固態鋰硫電池

01用戶前沿成果分享

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，通過流延成型法，不僅成功地加工出厚度能小于 90μm 的 LLZO 電解質，而且通過改造 LLZO 結構，能夠實現非常高的鋰金屬的循環而不短路。相關論文發表在 Advanced Energy Materials 上。馬里蘭大學石昌民博士（現美國布朗大學博士后研究員）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

無機固態鋰硫（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）以及陶瓷固態電解質（SSEs）的不可燃性。在所有類型的 SSEs 中，硫化物電解質和立方相鋰填充石榴石（LiLaZrO, LLZO）電解質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 在化學上對鋰金屬更穩定，并且在暴露于空氣和水分時不會產生有毒氣體，使其成為固態 Li-S 電池中更可取的 SSE。

文章亮點

本文研究人員借助 Forge Nano 原子層沉積包覆設備，創建了一種創新的凝膠聚合物緩沖層來穩定硫陰極/LLZO 界面。

采用薄雙層 LLZO（致密/多孔）結構作為固態電解質，并將硫的負載量大幅提高到 5.2 mg cm，在室溫（22 °C）和無外加壓力的條件下，實現了穩定的循環，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 次循環中的容量保持率為 80%。在高含硫量條件下實現這種穩定性是開發潛在商業化石榴石鋰硫電池的重要一步。

結論

通過在 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個循環中提供了平均放電容量1218 mAh g（80%容量保持）。這種出色的電化學性能主要是由于通過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發用于實際應用的石榴石型固態 Li-S 電池提供了有希望的途徑。