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Forge Nano ALD用户分享|马里兰大学团队研发高能量密度固态锂硫电池，成果发表在Advanced Energy Materials上
作者：复纳科技
行业：新能源
产品： Forge Nano, Pandora, Prometheus
关键词：Forge Nano ，原子层沉积，ALD，锂硫电池
日期：2024-05-28
01. 用户前沿成果分享
文章：High Sulfur Loading and Capacity Retention in BilayerGarnet Sulfurized-Polyacrylonitrile/Lithium-Metal Batterieswith Gel Polymer Electrolytes
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202301656
本文作者借助 Forge Nano ATHENA 原子层沉积系统包覆氧化锌 ALD 涂层，通过流延成型法，不仅成功地加工出厚度能小于 90μm 的 LLZO 电解质，而且通过改造 LLZO 结构，能够实现非常高的锂金属的循环而不短路。相关论文发表在 Advanced Energy Materials 上。马里兰大学石昌民博士（现美国布朗大学博士后研究员）为该论文第一作者，Eric D.Wachsman 教授为论文通讯作者。
02. 文献解读
（1）背景介绍
无机固态锂硫（Li-S）电池是下一代能源存储系统，因为硫的低成本和高理论能量密度（2600 Wh kg−1和2800 Wh L−1）以及陶瓷固态电解质（SSEs）的不可燃性。在所有类型的 SSEs 中，硫化物电解质和立方相锂填充石榴石（Li7La3Zr2O12, LLZO）电解质因其在室温下的高离子导电性而被视为最有希望的候选者。与基于硫化物的 SSE 不同，LLZO 在化学上对锂金属更稳定，并且在暴露于空气和水分时不会产生有毒气体，使其成为固态 Li-S 电池中更可取的 SSE。
（2）文章亮点
本文研究人员借助 Forge Nano 原子层沉积包覆设备，创建了一种创新的凝胶聚合物缓冲层来稳定硫阴极/LLZO 界面。
采用薄双层 LLZO（致密/多孔）结构作为固态电解质，并将硫的负载量大幅提高到 5.2 mg cm-2，在室温（22 °C）和无外加压力的条件下，实现了稳定的循环，初始放电容量高达 1542 mAh g-1（放电电流密度为 0.87 mA cm-2），平均放电容量为 1218 mAh g-1（放电电流密度为 1.74 mA cm-2），在 265 次循环中的容量保持率为 80%。在高含硫量条件下实现这种稳定性是开发潜在商业化石榴石锂硫电池的重要一步。
a).我们的电池结构示意图; b).在双层 LLZ0 上原位形成的 GPE; c).纯 LIFS1、1,3二氧戊环(DOL)、聚合DOL(po.DOL)、1.2-二甲氧基乙烷(DME)和 GPE 的 ATR-FTIR。c).对 GPE 中不同浓度的 LFS进行的 EIS 测量。频率范围为 0.1 MHz 至 100 Hz，振幅为 25 mV。
a).1M GPE 电池的电压曲线。b,c).分别为2M 和 3M GPE电池的循环性能。d). 2M 和 3M GPE 电池的循环性能。（a-d)的放电和充电电流密度分别为 0.87 mA cm-2和 0.435 mA cm-2。e).放电电流密度为 1.74 mA cm-2时，2 和3M GPE 电池的循环性能。f). 从 1.74 mA cm-2到 8.7 mA cm-2再回到 1.74 mAcm-2的2M GPE 设计的容量恢复性/C-速率性能。C 率是基于元素硫的理论容量。
电池性能评估。a,b).和c,d).分别是总循环次数、平均放电容量、重力和体积能量密度的比较。请注意，空心的红星和空心的紫星图案分别代表已证实和预计的能量密度。
循环后 SPAN 阴极的形态。a,b).在放电电流密度为 0.87 mA cm-2 的情况下，2M 和3M GPE 电池分别在完全放电状态下的 SPAN 阴极。c,d).分别为2M 和3M GPE 电池在完全充电状态下循环后的 SPAN 阴极。e,f).分别为2M 和3M GPE 电池在完全充电状态下循环后的 SPAN 的 TEM 图像。
使用 Forge Nano 原子层沉积系统包覆的氧化锌 ALD 涂层表征。a). 在硅晶片表面的层厚度分布，平均厚度约为 9 nm。b). 在本研究中使用的双层 Ta-LLZO 的致密侧上的 Zn 2p 的 XPS 光谱，显示已生成 ZnO ALD 涂层。
结论
通过在 LLZO 之间添加原位形成的 GPE 层以修改硫正极/LLZO 界面，作者制造的电池展示了稳定的表现和良好的能量密度。
对于2M GPE 电池，作者在0.87 mA cm-2放电时获得了 1542 mAh g-1的高初始放电容量，对应于能量密度 223 Wh kg-1和769 Wh L-1（电池#1）。此外，2M GPE电池（电池#3）在1.74 mA cm-2放电的265个循环中提供了平均放电容量1218 mAh g-1（80%容量保持）。这种出色的电化学性能主要是由于通过GPE 层稳定的 SPAN正极/LLZO 界面。特别是，与1M GPE 中相比，2 和3M GPE中更倾向于 FSI 分解而不是溶剂分解。稳定的硫正极/LLZO 界面可能是由于形成了一个完全紧密和一致的 CEI 涂层，该层保护了硫正极/LLZO 界面，并可能帮助缓解了由于硫正极体积膨胀产生的应力/应变。这种新的电池结构所获得的稳定性和高性能为开发用于实际应用的石榴石型固态 Li-S 电池提供了有希望的途径。
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