我科学家发现碳包覆层可提高硫化锑正极在全固态锂电池中的容量和倍率性能

蒋易蓉 科技日报记者 刘昊

近日，记者从桂林电器科学研究院有限公司获悉，该院朱凌云教授团队和燕山大学黄建宇教授团队联合进行研究，发现碳包覆层可以改善硫化锑(Sb₂S₃)电极材料在全固态锂电池中的反应动力学，证明硫化锑材料(Sb₂S₃@C)是一种很有前途的高能量密度全固态锂电池正极。相关成果日前发表在化学与材料领域国际著名期刊《先进功能材料》（《Advanced Functional Materials》）上。

硫化锑作为一种极具发展前景的电极材料，因其高达946 mAh g^-1的理论比容量而受到广泛关注。然而，较低的固有电导率和不可避免的体积膨胀导致其电化学性能较差。硫化锑在合金化反应中体积膨胀较大(≈235%)，引起颗粒粉碎和容量衰减，这对硫化锑的实际应用是一个巨大的挑战。

研究团队主要针对这一问题，利用水热法在活性物质硫化锑纳米棒表面构筑一层稳定的碳包覆层，制备碳包覆硫化锑材料，进而实现改善材料电导率和缓冲体积变化目的。同时利用负极采用锂铟（LiIn）合金、固态电解质采用桂林电器科学研究院有限公司所制备的锂硅磷硫氯（LiSiPSCl）硫化物电解质（Li₁₀Si_0.3PS_6.7Cl_1.8），正极采用硫化锑材料或硫化锑，组装全固态锂电池对其电化学性能进行评价。实验中硫化锑材料正极的首圈循环放电容量为711 mAh g^-1，稳定循环容量为431 mAh g^-1，远高于未包覆的硫化锑正极的首圈循环放电容量125 mAh g^-1和稳定循环容量320 mAh g^-1。团队结合原位透射电镜(TEM)与密度泛函理论(DFT)对硫化锑材料和硫化锑电极材料的锂化与脱锂化反应动力学与机理进行了详细研究，结果表明，碳包覆层作为一个电子/离子导电通道，大大促进了电极材料中的电荷转移。而未包覆碳的硫化锑纳米棒的插层反应和转化反应则非常缓慢，合金化反应几乎受阻，严重限制了容量释放。因此，所合成的硫化锑材料电极具有比未包覆硫化锑电极更高的容量和倍率性能。

该研究结果表明，碳包覆层可以改善硫化锑电极材料在全固态锂电池中的反应动力学，其结构的相变路径研究将为锂离子在电极材料中的扩散机制提供了重要的见解，这对设计新型具有良好的电化学性能的金属硫化物电极具有指导意义。同时该研究也证明了LiIn/LiSiPSCl/Sb₂S₃@C- LiSiPSCl -C全固态锂电池是一种很有前途的、有望应用于消费电子和电动汽车高能量存储系统。