全固态锂硫电池中电解质分解行为的阐明

丰桥工业大学电气电子信息工学系课题组——博士生贺茂广忠;Kazuhiro Hikima，助理教授;Atsunori Matsuda 教授阐明了全固态锂硫电池 (ASSLSB) 阴极复合材料中电解质的分解行为。研究发现，ASSLSB 正极复合材料中的硫化物固体电解质在充放电循环中转化为具有长链交联硫的硫代磷酸盐。这些分解产物决定了 ASSLSB 的整体电池性能。该研究于2022 年 12 月 15 日在线发表在《材料化学》上。

细节

目前，电动汽车 (EV) 市场正在扩大，因此需要开发更好的车载蓄电池。由于使用了高容量正极活性材料，如硫(S)和硫化锂(Li 2S). 为了确保 ASSLSB 提供最佳性能，必须在正极复合材料中建立稳健的离子和电子传导通路，正极复合材料由具有硫化物固体电解质的正极活性材料和导电剂(碳材料)组成。然而，由于正极复合材料中的硫化物固体电解质提供的离子传导通路不足，电池性能目前受到限制。此外，硫化物固体电解质会在 ASSLSB 的工作电压内引起氧化分解。固体电解质的过度分解会导致阴极内离子传导通路的损失，从而导致容量下降。因此，了解正极复合材料中硫化物固体电解质的分解行为以提高 ASSLSB 性能非常重要。根据之前的报道，硫化物固体电解质在氧化分解后转化为具有氧化还原活性的分解产物，表现出可逆的氧化还原反应。然而，硫化物固体电解质如何在 ASSLSB 中分解仍不清楚。

据此，课题组采用行星球磨法，将正极活性物质Li 2 S 、硫化物固体电解质Li 3 PS 4和碳材料混合制备正极复合材料; 然后他们对其进行了电化学测量和拉曼光谱，并分析了 ASSLSB 正极复合材料中的电解质在充电和放电过程中是如何分解的。

基本电化学测量表明，ASSLSB 中的氧化还原反应包括 Li 3 PS 4的氧化分解及其分解产物的氧化还原反应，以及正极活性材料的氧化还原反应。在长时间重复这些循环之后，阴极活性材料失去了电化学活性，只有 Li 3 PS 4分解产物的氧化还原反应仍然明显。这表明 ASSLSB 的长期性能受 Li 3 PS 4的电化学氧化还原活性控制分解产物。20 个循环后阴极复合材料的拉曼光谱揭示了一个源自 SS 键的峰。这些实验表明，在充电和放电循环过程中，正极活性材料与 ASSLSB 中的硫化物固体电解质发生反应，形成具有长链交联硫的硫代磷酸盐。

未来展望

通过这项研究，我们确定了硫化物固体电解质的分解如何控制 ASSLSB 的整体性能，并证明了控制正极活性材料和固体电解质之间的界面是多么重要。展望未来，我们希望根据这些研究结果制定界面设计指南，以抑制正极复合材料中硫化物固体电解质的分解反应。

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