应用于高性能锂硫电池的LiPON

发展高能量密度的锂硫电池对于下一代电化学储能具有很好的应用前景。但是，由于金属锂负极自身SEI层的不稳定导致在其在循环过程中金属锂枝晶不断的生成及生长，从而极大的限制了金属锂负极的实际应用。复旦大学的傅正文教授课题组和中国科学院大连化学物理研究所陈剑研究员通过一种简易且可大规模工业化应用的方法(氮等离子体辅助电子束蒸发沉积)在金属锂负极上建立致密均匀的LiPON保护层。该方法可使LiPON的沉积速率高达66nm/min。对于金属锂，LiPON作为一层具有高离子电导率、化学稳定和机械强度的保护层，可以在有效抑制金属锂与有机电解液间的腐蚀反应的同时并促进了金属锂均匀的沉积或溶出，从而实现金属锂对称电池在3mA/cm2的电流密度下稳定循环超过900圈且无任何金属锂枝晶形成。不仅如此，采用LiPON包覆的金属锂作为负极，还可以制备~300Wh/kg的高性能锂硫软包电池(硫载量7mg/cm2)。该文章发表在国际知名期刊EnergyStorageMaterials上。

图1(a)采用卷对卷大规模制备LiPON-coatedLi负极和(b)LiPON-coatedLi在锂硫电池中性能的示意图

图2(a)LiPON-coatedLi负极的SEM图。插入的图为LiPON-coatedLi负极的光学照片。LiPON-coatedLi负极的(b)截面和(c)高分辨SEM图，相应的(d)O,(e)P和(f)N元素分布图。(g)包覆和未包覆的金属锂负极在金属锂对称电池中静置2h后的电化学阻抗谱图。(h)根据(g)中的等效电路图计算得到SEI层的离子电导率。(i)在极化电压为1V的条件下LiPON样品的电流时间曲线。

图3包覆和未包覆的金属锂负极在不同电流密度下的对称电池循环性能图及循环后的SEM图。

图4LiPON-coatedLimetal负极在(a)1Msulfur/DME溶液和0.5MLi2S6/DME溶液的稳定性测试

图5包覆和未包覆的金属锂负极在锂硫电池中的电化学性能图