北京航空航天大学杜志国、杨树斌JACS:高熵全固态电解质,性能非常好!

锂电联盟会长 2023-09-28 11:29

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!


基于固态电解质(SSEs)的全固态锂金属电池(ASSLMBs)由于省去了重金属和易燃有机溶剂,在高能量密度和高安全性方面有了显著提高,已成为新兴的储能设备之一。热降解温度高、无溶剂、便于大规模生产等特点使得 SSE 近年来发展迅速。然而,目前的 SSE 仍无法实现商业化应用,主要原因是 Li+ 转移动力学缓慢和机械强度不理想。
近日,北京航空航天大学杜志国副教授、杨树斌教授团队开发了一种二维(2D)高熵锂离子导体--含锂过渡金属硫化磷 HE-LixMPS3Lix(Fe1/5Co1/5Ni1/5Mn1/5Zn1/5)PS3),其五个过渡金属原子和锂离子(Li+)分散在[P2S6]2-框架层中,表现出高晶格畸变和大量阳离子空位。这种独特的特性能够有效地加速 Li+ 在二维 [P2S6]2- 界面中的迁移,从而在室温下实现 5 × 10-4 S cm-1 的高离子电导率。此外,基于 HE-LixMPS3 与丁腈橡胶之间的强 C-S 键合,HE-LixMPS3 层压板可用作构建超薄 SSE 薄膜(10 μm)的构件。SSE 薄膜具有很强的机械坚固性(6.0 MPa、310% 的伸长率)和 4 × 10-4 S cm-1 的高离子电导率,在锂对称电池中显示出 800 小时的长循环稳定性。该全固态电池与磷酸铁锂正极和锂负极配合使用,在 5.0 C 下循环 2000 次,库仑效率高达 99.8%。
         
【要点】
在这项工作中,作者报告了一种二维(2D)含锂高熵过渡金属硫化磷 HE-LixMPS3Lix(Fe1/5Co1/5Ni1/5Mn1/5Zn1/5)PS3),通过利用过渡金属的固溶特性,五种过渡金属元素和锂被均匀地分散在 [P2S6]2- 框架层中。制备的 HE-LixMPS3 具有丰富的阳离子空位和较高的晶格畸变,可显著增强 Li+ 的扩散,室温离子电导率高达 5 × 10-4 S cm-1。此外,具有超薄二维层状结构的 HE-LixMPS3 可用作构件,通过与丁腈橡胶交联(C-S 键合)构建超薄 SSE 薄膜(10 ∼ 10 μm)。最后,SSE 薄膜具有很强的机械坚固性(6.0 MPa,伸长率 310%)和 4 × 10-4 S cm-1 的高离子导电率,在锂对称电池中的长期循环寿命可达 800 小时。配合磷酸铁锂(LFP)正极和锂负极,这种全固态全电池在 5.0 C 下循环 2000 次后,库仑效率高达 99.8%。
首先进行了密度泛函理论(DFT)计算,以筛选出稳定的二维含锂 MPS3 相(详见 "DFT 计算部分")。不同金属成分(M = Fe、Co、Ni、Mn、Zn)的 LixMPS3 相在 1023 K 时的示意图和吉布斯自由能见图 1a。二元 LixMPS3 相(-0.57 eV/单胞)和三元 LixMPS3 相(-0.60 eV/单胞)的吉布斯自由能低于一元 LixMPS3 相(0 eV/单胞)。随着金属元素数量增加到 5 个,LixMPS3 相的吉布斯自由能降低到-0.83 eV/单位晶胞,这表明高熵 LixMPS3 因其更大的负自由能而比其他 LixMPS3 更稳定。为了制备二维 HE-LixMPS3,首先通过化学气相传输(CVT)方法制备了含有铁、钴、镍、锰和锌五种固溶过渡金属的层状 HE-LixMPS3,随后进行液相剥离,生成了具有二维特征的 HE-LixMPS3
图 1. (a) 不同金属成分(M = Fe、Co、Ni、Mn、Zn)的 LixMPS3 相在 1023 K 下的示意图和吉布斯自由能,显示 HE-LixMPS3 相比其他 LixMPS3 相更加稳定。(b) 含有不同金属成分的 LixMPS3 相的 XRD 图谱,显示出 LixMPS3 相的特征衍射峰以及 (001) 和 (002) 峰的显著偏移。
图 2:(a-c)含有 Fe、Co、Ni、Mn 和 Zn 成分的 HE-LixMPS3 纳米片的 TEM(a)、HRTEM(b)图像和 SAED 图谱(c),显示出良好的柔韧性和光滑的表面,(060)面的平面间距为 0.17 nm。d)HE-LixMPS3 的横截面 HRTEM 图像,显示出层状结构。(e)从 a 方向观察 HE-LixMPS3 的晶体结构(橙色、黄色、绿色和五色球分别表示 P、S、Li 和 Fe/Co/Ni/Mn/Zn 原子)。(f)通过 ICP 测量的 HE-LixMPS3 中的金属元素含量。(g、h)STEM(g)和 EDS 图谱(h),显示 HE-LixMPS3 纳米片中铁、钴、镍、锰、锌、P 和 S 元素的均匀分布。比例尺为 200 纳米。
图 3. (a) HE-LixMPS3 和其他 LixMPS3 电解质随温度变化的离子电导率。(b) HE-LixMPS3 和其他 LixMPS3 的活化能阿伦尼乌斯图。(c) HE-LixMPS3 和 HE-MPS3 的 EPR 图谱,显示 HE-LixMPS3 中存在大量空位。(c) HE-LixMPS3 和 HE-MPS3 的傅立叶变换红外图谱,显示存在金属空位和 Li+ 插层。(e、f)三种可能路径的 DFT 计算结果(e)和相应的 Li+ 迁移能量(f)。
图 4. (a) 通过原位硫化法制造 HE-LixMPS3/NBR 电解质的示意图。(b) HE-LixMPS3/NBR 电解质的横截面 SEM 图像和照片(插图),厚度为 10 μm(c) HE-LixMPS3/NBR 电解质 XPS 勘测中的 S 2p 图谱,显示存在 C-S 键。(c) HE-LixMPS3/NBR 电解质与之前工作中报告的其他电解质的拉伸强度比较。(e) HE-LixMPS3/NBR 和 HE-LixMPS3 电解质在 20 至 60 ℃ 温度范围内随温度变化的离子电导率。(f) HE-LixMPS3/NBR 和 HE-LixMPS3 电解质的 Li|SSE|SS 的 LSV 曲线,表明 HE-LixMPS3 和 NBR 结合后电压窗口(4.7 V)增大。(g) 使用 HE-LixMPS3/NBR 和 HE-LixMPS3 电解质的对称锂离子电池在室温 0.2 mA cm-2 条件下的长期循环性能,容量为 0.2 mAh cm-2
为了进一步评估 HE-LixMPS3/NBR 电解质的电化学性能,作者组装了带有 LFP 阴极和裸锂阳极的 ASSLMB。如图 5a 所示,使用 HE-LixMPS3/NBR 电解质的 ASSLMB 在 0.2 C(1 C = 170 mAh g-1)的条件下显示出 170.1 mA h g-1 的高初始容量,室温下 LFP 阴极的典型电压范围为 2.0-3.8 V,这与使用原始 HE-LixMPS3 电解质的 ASSLMB 几乎相同。当电流密度增加到 1.0、2.0 和 5.0 C 时,使用 HE-LixMPS3/NBR 电解质的 ASSLMB 的比容量分别达到 161.2、154.1 和 145.8 mAh g-1,表现出良好的速率性能,电压曲线出现明显的平台现象。在使用原始 HE-LixMPS3 电解质的 ASSLMB 中,比容量分别衰减到 156.1、148.4 和 134.5 mAh g-1图 5b)。当电流密度恢复到 1.0 C 时,使用 HE-LixMPS3/NBR 电解质的 ASSLMB 显示出 157.8 mAh g-1 的高容量。经过 1200 次循环后,使用 HE-LixMPS3/NBR 电解质的 ASSLMB 的容量保持率高达 94.0%(图 5c)。相比之下,使用纯 HE-LixMPS3 电解质的 ASSLMB 在 1200 次循环后容量逐渐下降,只有 92.8 mAh g-1 (图 5c)。此外,使用 HE-LixMPS3/NBR 电解质的 ASSLMB 具有良好的稳定性,库仑效率高达 99.8%,在 5 C 条件下循环 2000 次后容量保持率可达 90%图 5d)。这取决于二维 HE-LixMPS3 的快速离子传导以及丁腈橡胶基体良好的机械强度和稳定性。
结合 HE-LixMPS3/NBR 电解质,作者进一步组装了一个阳极为锂箔,阴极为磷酸铁锂的软包电池,其中磷酸铁锂的装载量高达 ∼ 10 mg cm-2,以评估其实际电化学性能。令人印象深刻的是,该软包电池在 0.5 C 条件下循环 50 次后显示出 130 mAh g-1 的稳定容量,显示出 HE-LixMPS3/NBR 电解质的巨大应用潜力。
图 5:(a,b)在室温条件下,以 HE-LixMPS3/NBR 和原始 HE-LixMPS3 电解质及磷酸铁锂电极为阴极、锂板为阳极的全电池在 0.2-10.0 C。(c)使用 HE-LixMPS3/NBR 和原始 HE-LixMPS3 电解质的全电池在 1.0 C 电流密度下的长期循环。
【结论】
本研究成功制备了一种二维高熵锂离子导体--含锂过渡金属硫化磷 HE-LixMPS3Lix(Fe1/5Co1/5Ni1/5Mn1/5Zn1/5)PS3),其中五种过渡金属元素和锂离子均匀地分散在[P2S6]2-框架中。由于片状 HE-LixMPS3 内部存在大量阳离子空位和晶格畸变,因此室温离子电导率高达 5 × 10-4 S cm-1。同时,HE-LixMPS3 的超薄特性有利于通过 C-S 键与丁腈橡胶构建超薄 SSE 薄膜(10 μm)。这种 SSE 具有很强的机械坚固性(6.0 MPa、310% 的伸长率)和 4 × 10-4 S cm-1 的高离子电导率。采用 LFP 正极、SSE 和裸锂离子阳极的全固态全电池在 5.0 C 时的库仑效率高达 99.8%,循环寿命长达 2000 次。这项研究为引入高熵层压材料,生产一系列具有高锂离子电导率和实用机械强度的超薄 SSE 提供了一种极具吸引力的策略,适用于高功率 ASSLMB。
https://doi.org/10.1021/jacs.3c04279

相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 79浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 72浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 76浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 73浏览
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 166浏览
  • 车身域是指负责管理和控制汽车车身相关功能的一个功能域,在汽车域控系统中起着至关重要的作用。它涵盖了车门、车窗、车灯、雨刮器等各种与车身相关的功能模块。与汽车电子电气架构升级相一致,车身域发展亦可以划分为三个阶段,功能集成愈加丰富:第一阶段为分布式架构:对应BCM车身控制模块,包含灯光、雨刮、门窗等传统车身控制功能。第二阶段为域集中架构:对应BDC/CEM域控制器,在BCM基础上集成网关、PEPS等。第三阶段为SOA理念下的中央集中架构:VIU/ZCU区域控制器,在BDC/CEM基础上集成VCU、
    北汇信息 2025-01-03 16:01 188浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 73浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 45浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 66浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 69浏览
  • 物联网(IoT)的快速发展彻底改变了从智能家居到工业自动化等各个行业。由于物联网系统需要高效、可靠且紧凑的组件来处理众多传感器、执行器和通信设备,国产固态继电器(SSR)已成为满足中国这些需求的关键解决方案。本文探讨了国产SSR如何满足物联网应用的需求,重点介绍了它们的优势、技术能力以及在现实场景中的应用。了解物联网中的固态继电器固态继电器是一种电子开关设备,它使用半导体而不是机械触点来控制负载。与传统的机械继电器不同,固态继电器具有以下优势:快速切换:确保精确快速的响应,这对于实时物联网系统至
    克里雅半导体科技 2025-01-03 16:11 176浏览
  • 光耦合器,也称为光隔离器,是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的组件。在医疗领域,确保患者安全和设备可靠性至关重要。在众多有助于医疗设备安全性和效率的组件中,光耦合器起着至关重要的作用。这些紧凑型设备经常被忽视,但对于隔离高压和防止敏感医疗设备中的电气危害却是必不可少的。本文深入探讨了光耦合器的功能、其在医疗应用中的重要性以及其实际使用示例。什么是光耦合器?它通常由以下部分组成:LED(发光二极管):将电信号转换为光。光电探测器(例如光电晶体管):检测光并将其转换回电信号。这种布置确保输入和
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:27 171浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 110浏览
  • 在快速发展的能源领域,发电厂是发电的支柱,效率和安全性至关重要。在这种背景下,国产数字隔离器已成为现代化和优化发电厂运营的重要组成部分。本文探讨了这些设备在提高性能方面的重要性,同时展示了中国在生产可靠且具有成本效益的数字隔离器方面的进步。什么是数字隔离器?数字隔离器充当屏障,在电气上将系统的不同部分隔离开来,同时允许无缝数据传输。在发电厂中,它们保护敏感的控制电路免受高压尖峰的影响,确保准确的信号处理,并在恶劣条件下保持系统完整性。中国国产数字隔离器经历了重大创新,在许多方面达到甚至超过了全球
    克里雅半导体科技 2025-01-03 16:10 122浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦