​黄建宇/朱凌云等AFM: 碳涂层全面提高全固态锂电池中Sb2S3正极性能

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硫化锑(Sb2S3)是一种很有前途的电极材料。然而,其较差的电子/离子导电性严重阻碍了其实际应用。
​黄建宇/朱凌云等AFM: 碳涂层全面提高全固态锂电池中Sb2S3正极性能
在此,燕山大学黄建宇教授、张利强研究员、唐永福教授及桂林电器科学研究院朱凌云教授等人通过水热处理方法制备了碳包覆的Sb2S3纳米棒(Sb2S3@C)以解决上述问题。进一步,作者在由InLi负极和Li10Si0.3PS6.7Cl1.8固态电解质(SSE)组成的全固态锂电池(ASSLBs)中评估了Sb2S3和Sb2S3@C的电化学性能。其中,Sb2S3@C正极在0.1 A g-1时的首圈循环放电容量为711 mAh g-1(CE为84%),稳定循环容量为431 mAh g-1,远高于无涂层Sb2S3正极(首圈循环放电容量为125 mAh g-1,稳定循环容量为320 mAh g-1)。
此外,Sb2S3@C的倍率性能和循环稳定性也优于Sb2S3电极,证明了无定形碳涂层的优势。在完全活化后,没有碳保护层的纯Sb2S3电极在充放电过程中会发生严重的体积变化,这可能导致 Sb2S3纳米棒断裂和粉化。
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图1. 纯Sb2S3和Sb2S3@C电极的电化学性能
为了阐明Sb2S3纳米棒的潜在反应机制及碳涂层在锂化-脱锂过程中的作用,作者在TEM内部构建了一个固态纳米电池(由Sb2S3@C纳米棒工作电极、自然生长的Li2O SSE和Li金属对电极组成)用于原位电化学测试。结果显示,碳涂层充当电子/离子导电导管,可显著促进电极中的电荷转移。
因此,Sb2S3@C电化学迅速从插层转变为完全合金化。然而,没有碳涂层的Sb2S3纳米棒的嵌入和转化反应缓慢且合金化反应几乎受阻,从而严重限制了容量。这些关于Sb2S3纳米结构中锂化或脱锂过程中的相变路径和转化动力学的研究结果为了解锂离子在电极材料中的扩散机制提供了重要的见解,这可能指导在ASSLBs中设计具有增强电化学性能的新型金属硫化物电极。
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图2. Sb2S3@C纳米棒在锂化-脱锂循环过程中的形态演变
Boosting the Rate Performance and Capacity of Sb2S3 Nanorods Cathode by Carbon Coating in All-Solid-State Lithium Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202204231

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