GeS2-Ga2S3-Li2S-LiI硫化物玻璃陶瓷的锂离子传输特性与机理研究

Research on chalcogenide solid state electrolyte with high ionic conductivity is a very important way to develop high security and large capacity Li-S batteries. In this project, a chemically stable system GeS2-Ga2S3-Li2S-LiIis supposed to be researched. The ionic conductivity in glassy phase will be optimized in a broader glass forming region whose limit could be broken by high-energy milling synthesis. Glass-ceramic phase formed by controllable crystallization can be cooperated with to play the ionic transport enhancement effect. Consequently, chalcogenide solid state electrolyte with high ionic conductivity could be synthesized. .In order to distinguish the contribution to conductivity from glassy phase or glass-ceramic phase and to clarify the mechanism of ionic transport, in the one hand, the composition dependence of the short/medium-range structure and the ionic transport characteristics of the glassy phase will be studied in the enlarged glass forming region, so that the ionic transport mechanism in glassy phase could be analyzed in the view of glass network structure. In the other hand, on the base of controllable crystallization, the two relationships, i.e., microstructure of crystallite/glass interface – local ionic conductivity, and 3D topology structure –bulk average ionic conductivity, will be focused on to reveal the key role of ionic transport pathway formed by interfaces in the glass-ceramic ionic conduction. This project is expected to achieve a profound understanding on the ionic transport in chalcogenide glass/glass-ceramic.

研制具有高锂离子电导率的硫化物固态电解质是发展新一代高安全性、大容量锂硫电池的重要途径。本项目以具有较好化学稳定性的GeS2-Ga2S3-Li2S-LiI体系为研究对象，拟利用高能球磨非平衡制备手段，突破传统玻璃形成区限制，在更宽成分范围内优化玻璃相离子电导，同时利用微晶化处理协同发挥微晶玻璃的离子传输增强效应，获得高离子电导率的硫化物固体电解质。为区分玻璃相与微晶相在微晶玻璃总离子电导中的贡献，阐明各自的离子传输机理，本项目一方面在扩大的成玻区内研究玻璃近程、中程结构以及离子传输特性随成分的变化趋势，从而以玻璃网络结构的角度分析玻璃相离子传输机制；另一方面在实现可控微晶化的基础上，着眼于研究微晶/玻璃相界面的微观结构与局部离子电导的关系、三维拓扑结构与整体平均电导的关系，以期揭示由相界面构成的离子传输通道在微晶玻璃离子电导中的关键作用。本项目研究有望为理解硫化物玻璃/微晶玻璃中的离子传输

开发高离子电导率、优异界面相容性的硫化物固体电解质对于研发新型固态锂硫电池具有重要的研究意义与技术价值。本研究以GeS2-Ga2S3-LiIxS1/2-x玻璃/玻璃陶瓷、Li2S-P2S5玻璃陶瓷为研究对象，对硫系玻璃/玻璃陶瓷固体电解质的高能球磨机械合成技术与可控析晶技术进行了研究，并对其离子传输能力以及与电池活性物质的界面相容性进行了系统探讨，最终实现了以硫系玻璃陶瓷固体电解质为隔膜的具有固液混合结构的固态锂硫电池的制备及其高性能化。获得以下主要研究成果：（1）开发了GeS2-Ga2S3-LiIxS1/2-x玻璃固体电解质的高能球磨机械合成技术。通过高能球磨制备的玻璃粉末经粉末冷压制备成块体，可获得与常规熔融-淬火法制备的块体玻璃相当的离子电导率。（2）开发了GeS2-Ga2S3-LiIxS1/2-x玻璃基于析晶动力学模型的可控析晶技术。利用该模型对析晶热处理的工艺参数进行准确预测，实现了对玻璃陶瓷晶化率的精确调控。(3）利用可控析晶技术，明确区分了玻璃相和微晶相对GeS2-Ga2S3-LiIxS1/2-x玻璃陶瓷离子电导率的贡献，阐明该材料体系在玻璃形成区边界出现的离子电导阶跃式提升与微晶相无关，而主要得益于玻璃三维网络结构向一维结构转变引起的离子传输通道的扩大、以及“冷焊“现象带来的界面阻抗减小。（4）针对具有固液混合结构的固态二次电池对固体电解质材料的特殊要求，提出了固液混合环境下固体电解质的界面相容性的概念，并设计了用于该相容性表征的半电池测试装置。利用该研究手段，筛选出与电池正负极材料具有优良界面相容性的β-Li3PS4玻璃陶瓷固体电解质。（5）实现了基于硫系玻璃陶瓷固体电解质的具有固液混合结构的固态锂硫电池的制备及其高性能化。设计并制备了兼具高离子电导和优良界面稳定性的β-Li3PS4包覆的Li7P3S11玻璃陶瓷隔膜，由其组装的具有固液混合结构的固态锂硫电池在50圈充放电循环后仍具有1270 mA h/g的比容量和2.10V的放电电压，综合性能优于常规液态锂硫电池和以氧化物固体电解质为隔膜的固液混合型锂硫电池。该研究为实现硫系玻璃陶瓷固体电解质在具有固液混合结构的固态电池中的应用提供了一套较为全面的技术手段和研究思路，展示了硫系玻璃陶瓷固体电解质应用于此类电池的显著优势。