基于Li-H-Ti-O体系材料电解质的高性能全固态锂硫电池

Lithium-sulfur battery is recognized as one of the most promising power battery system due to the high theoretical energy density, thus it is under vigorous investigation worldwide. Focus on the short cycle life and poor safety condition of lithium-sulfur battery, Li-H-Ti-O system electrodes with superior rate capability and long cycle life will be explored for solid electrolytes. Benefited from the characteristics of high lithium-ion conductivity, nanosize effect as well as adsorption and electrocatalysis effect, the shortcomings of a) the shuttle effect of polysulfides, b) dendritic lithium growth for lithium-sulfur batteries and c) relatively low lithium-ion conductivity for solid electrolytes would be solved simultaneously and efficiently, resulting in all-solid-state and high-performance lithium-sulfur batteries. By investigating the relationship between components and electrochemical properties, analyzing the existed form of hydrogen as well as the mechanism for inhibiting the shuttle effect of polysulfides, the intrinsical and universal characteristics would give some guidance to the design and preparation of Li-H-M-O（M=Ti, Mn, V, W, Ni, Co, Mo）for solid electrolytes. Therefore, our findings and results will bring us a step closer towards the real-life applications of all-solid-state lithium-sulfur batteries.

锂硫电池以其超高的理论能量密度成为了下一代最具发展前景的动力电池体系之一，也是目前国际研究的热点。针对锂硫电池循环寿命和安全稳定性较差的现状，本项目拟将自主设计合成的一系列具有优异倍率性能和超长循环寿命的锂离子电池电极材料——Li-H-Ti-O体系材料用于固态电解质，高度整合并发挥其快离子导体特征、纳米结构特征、吸附及电化学催化特征，使其有望一步解决锂硫电池的a）多硫化锂穿梭效应，b）锂枝晶生长的两大难题，以及聚合物固态电解质的c）低离子电导率的问题，从而得到高性能的全固态锂硫电池。明晰Li-H-Ti-O体系材料中各组分与锂硫电池性能的内在联系，深入探究材料中氢的存在形式及氢组分对多硫化锂穿梭效应的多重抑制作用机理，寻找其本质性和普适性的特征，为其它新型Li-H-M-O（M为过渡金属）固态电解质的设计与优化提供重要的理论支撑，为进一步实现全固态锂硫电池的大规模应用指明方向。

固态电池技术被认为是下一代高能量密度和高安全性锂电池的重要发展方向，固体电解质是固态电池的核心组成部分，然而现阶段尚没有一种固态电解质能满足固态电池的实际应用需要，开发新型的固态电解质材料是推动固态电池发展的关键所在。在本项目中，通过调控“氢”组分构建了一系列具有高离子扩散系数的Li-H-M-O（M =Ti，Mn，V）新材料，研究了其作为固体电解质的特性，并探索了其在固态锂硫电池/锂金属电池中的应用。基于自主开发的脱水相变原位生长纳米晶（ODIN）法，我们设计并合成了一些列高倍率性能的Li-H-M-O（M =Ti，Mn，V）电极材料，进一步验证了氢组分对于提升离子电导的重要作用。将合成设计的Li-H-M-O材料用作锂硫电池固体电解质涂层，0.1 C下的容量最高提升78.9 %，倍率能力更是提升4倍，这主要归因于S-M-O键具有强化学键合力，可通过化学吸附实现对多硫化锂的锚定作用。将Li-H-M-O材料进行固体电解质电学特性测试，“氢”组分的引入实现了2个数量级以上的电导率提升，再次验证了“氢”组分在提高材料离子电导率方面的本质性、普适性规律。最后，我们评价了以Li-H-M-O分别作为固体电解质、界面修饰材料、正极硫的活性载体在固态锂硫以及锂金属电池，均取得了良好的性能表现。Li-H-M-O作为固体电解质使用时具有原料便宜、容易合成、加工性能好、高离子电导、电化学窗口宽的优点。这对于开发新型固体电解质以及下一代开高能量密度锂（金属）电池方面具有一定的应用前景和启发意义。