美国东北大学|祝红丽团队AEM：原位能量散射X射线谱研究基于硫代锑酸盐超离子导体与金属硫化物正极的全固态电池- 大数跨境

首页

美国东北大学|祝红丽团队AEM：原位能量散射X射线谱研究基于硫代锑酸盐超离子导体与金属硫化物正极的全固态电池

科学材料站

2020-12-21

导读：该观点文章首次将原位能量散射X射线谱研究用于固态电解质的研究，原位地观察到Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的稳定工作电压范围，进一步证明了Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I和FeS2正极在全固态

文章信息

原位能量散射X射线谱研究基于硫代锑酸盐超离子导体与金属硫化物正极全固态电池

第一作者：孙潇

通讯作者：祝红丽*

单位：美国东北大学

研究背景

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，有望从根本主解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。在各种固态电解质中，在室温下，硫化物电解质具有与有机液体电解质相当的离子电导率，因而成为实现全固态电池商业化的最有希望的候选者之一。

本篇系统地研究了硫代锑酸盐固态电解质Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I，并评估了其在基于FeS2的全固态电池中的稳定性。首次将原位能量散射X射线谱研究用于固态电解质的研究，用来观察Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I在全固态锂离子电池循环中在不同工作电位下的变化。

因而证实了Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的电压窗口稳定在0.7-2.4 V（vs. In-Li）之间，与FeS2的工作电压相匹配。同时结合Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I 固态电解质和FeS2正极的全固态电池具有超高的容量和出色的循环稳定性。

文章简介

近日，来自美国东北大学的祝红丽教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Operando EDXRD Study of All‐Solid‐State Lithium Batteries Coupling Thioantimonate Superionic Conductors with Metal Sulfide”的观点文章。

该观点文章首次将原位能量散射X射线谱研究用于固态电解质的研究，原位地观察到Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的稳定工作电压范围，进一步证明了Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I和FeS2正极在全固态电池中的稳定性。

1. 该工作中的全固态电池的正极结构设计和原位能量散射X射线谱研究固态电池的工作原理

图一（a）传统固态电池的正极结构示意图；（b）基于过渡金属氧化物正极材料的固态电池中的正极界面工程示意图；（c）基于FeS2正极的固态电池示意图；（d）FeS2正极在液态电池中性能衰减和固态电池中稳定循环的机理示意图，在液态电池中存在多硫离子的穿梭效应和Fe单质的聚集，在固态电池中由于固态电解质的限制作用抑制了活性物质的损失；（e）固态电池的电池结构示意图；（f）原位能量散射X射线谱的原理示意图

2. 硫代锑酸盐超离子导体Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的物相表征

图二（a）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的XRD图谱；（b）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I在室温下的导离子性测试；（c）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的活化能测试；（d）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I与Li6PS5Cl的空气稳定性对比

3. 硫代锑酸盐超离子导体Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的电化学稳定性测试

图三线性伏安扫描法表征Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I 在（a）从开路电压扫到0V和（b）从开路电压扫到4.0 V时的电化学稳定性，电池结构为Li|Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I|Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I/Carbon

4. EDXRD 对Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I在线性伏安扫描过程中电化学稳定性的分析

图四（a）固态电池结构示意图；（b）起始扫描时的EDXRD结果，可以清楚看到正极、电解质和负极层；（c）线性伏安扫描曲线从开路电压到0 V；（d）正极层（位置34）在线性伏安扫描过程中EDXRD 结果；（e）电解质层（位置30）在线性伏安扫描过程中的EDXRD结果；（f）正极层和电解质层随着线性扫描的EDXRD峰位置偏移对比

5. EDXRD 对FeS2在基于Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I全固态电池中电化学稳定性的分析

图五（a）固态电池结构示意图；（b）起始扫描时的EDXRD结果，可以清楚看到FeS2正极、电解质和负极层；（c）在0.7 V~2.4V间的循环伏安扫描曲线；（d）电解质层间（位置13,16， 19， 22 和25）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I （220）峰的强弱对比；（e）正极层（位置33）Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的（220）峰在循环伏安测试过程中随时间（时间6，7，8，9，10和11）的变化；（f）位置33和位置34 的Li6.6Ge0.6Sb0.4S5I的（220）峰在循环过程中的变化对比

6. 全固态电池性能分析

图六（a）FeS2正极在全固态电池的循环伏安曲线；（b）FeS2正极在全固态电池的恒流充放电曲线；（c）FeS2正极在液态电池中的恒流充放电曲线；（d）FeS2正极在固态电池中的倍率性能；（e）FeS2正极在固态和液态电池中的循环性能对比

本文要点

要点一：系统研究了新型硫代锑酸盐超离子导体Li6+xGexSb1-xS5I（x = 0.2、0.4、0.6和0.8），其中Li6+xGexSb1-xS5I在室温下显示出最高的离子电导率1.6 mS cm-1.

要点二：首次将原位能量散射X射线谱研究用于固态电解质的研究，无需拆卸电池或进行特殊的电池设计。能量散射X射线谱原位地观察到Li6+xGexSb1-xS5I在低压下分解，这证实了的安全工作电压范围。Li6+xGexSb1-xS5I和FeS2正极在全固态电池中的稳定性进一步被证明了。

要点三：金属硫化物电解质与金属硫化物正极表现出很好相容性而且不需要额外的界面工程。FeS2的测试电压范围非常稳合Li6+xGexSb1-xS5I电解质的工作电压范围。

要点四：固态电解质可以有效地限制铁单质和多硫化物，以抑制铁单质聚集和多硫化物的穿梭效应，从而最大程度地减少与质量损失和性能衰减。

文章链接

Operando EDXRD Study of All‐Solid‐State Lithium Batteries Coupling Thioantimonate Superionic Conductors with Metal Sulfide

https://doi.org/10.1002/aenm.202002861

通讯作者介绍

祝红丽，美国波士顿东北大学（Northeastern University）的助理教授

她的研究组专注于能源，生物质和先进制造的研究。从2012年至2015年，她在马里兰大学做博士后研究，致力于纳米纸柔性电子器件和能源的研究。从2009年到2011年，她在瑞典皇家理工学院进行材料科学以及天然木材可降解和可再生生物质材料的研究。目前她的google scholar引用率 10567， H因子51。

通讯作者介绍

孙潇，美国东北大学机械工程系材料方向的博士研究生

主要研究领域是高性能全固态锂硫电池在材料领域中的应用。

课题组介绍

能源是制造业和国民经济发展的重要基石，而可持续的能源储存和功能化的自然材料在我们的日常生活中也扮演着非常重要的角色。为了满足社会发展的需求，以及将科技与社会更紧密地联系起来，祝红丽团队的研究方向主要集中在开发可持续的能源储存，多功能自然材料和先进制造技术等方面。众所周知，森林是人类重要的自然资源之一，为人类提供大量的木材和其他可持续的绿色资源，而利用这些自然材料，开发先进的功能材料和技术装置将逐渐减少并最终消除人类对石油等不可再生资源的依赖。基于在自然材料，先进制造，能源存储和柔性电子器件等方面的研究兴趣和专业知识，祝红丽团队的研究目标是开发清洁能源和基于自然资源的多功能材料，最终实现“取之自然，用之自然，还之自然”。同时，也将对造纸技术、涂布和印刷技术等制造工艺应用到先进制造过程中，形成从微观到宏观的多学科交叉的综合性研究。更多课题组信息：https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/index.html

课题组招聘

现招聘有固态电池研究背景的博士生和博士后,同时欢迎热爱科研的博士交换生申请我们课题组

https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/position.html