活物質―固体電解質界面をその場形成した全固体リチウム硫黄電池の作製と電池特性評価

原位形成活性材料-固体电解质界面的全固态锂硫电池的制备及电池特性评价

• 批准号: 21J12809
• 负责人: 蒲生 浩忠
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12809/
• 关键词: 全固体電池; 硫化物固体電解質; リチウム硫黄電池; 電解質分解; 全固体リチウム硫黄電池

全固体リチウム硫黄電池では、正極内の硫化物固体電解質が充電過程で酸化分解し、長期的なサイクル特性を低下させる。したがって、全固体リチウム硫黄電池における電池性能の向上には、正極複合体内の硫化物固体電解質の分解挙動を理解することが重要である。硫化物固体電解質は酸化分解後、酸化還元活性な分解生成物に変換され、可逆的な酸化還元反応を示すことが知られている。しかし、全固体リチウム硫黄電池における硫化物固体電解質の分解挙動は未だ不明瞭である。本研究課題では、正極活物質Li2Sと硫化物固体電解質Li3PS4、炭素材料を遊星型ボールミリングで混合した正極複合体を作製し、正極複合体について電気化学測定およびラマン分光測定を行い、全固体リチウム硫黄電池の充放電中の電解質分解挙動を解析した。基礎的な電気化学測定から、全固体リチウム硫黄電池の酸化還元反応は、正極活物質の酸化還元反応以外にLi3PS4の酸化分解、Li3PS4の分解生成物の酸化還元反応を含むことが分かった。長期サイクル後、正極活物質は電気化学的な活性を失い、Li3PS4の分解生成物のみが酸化還元反応を示した。したがって、全固体リチウム硫黄電池の長期的な電池性能はLi3PS4の分解生成物の電気化学的な酸化還元活性に支配される。20サイクル後の正極複合体についてラマン分光測定を行ったところ、S-S結合に由来するピークが検出された。これらの実験結果から、全固体リチウム硫黄電池は、充放電過程を経て正極活物質と硫化物固体電解質が反応し、長鎖の架橋硫黄を含むチオリン酸に変換されることが示された。また、Li2Sに微量のP2S5を添加することで、充放電中の電解質分解を抑制し、長期的に安定な電池特性が得られた。

在全固态锂硫电池中，正极中的硫化物固体电解质在充电过程中会氧化分解，降低长期循环特性。因此，为了提高全固态锂硫电池的电池性能，了解正极复合材料中硫化物固体电解质的分解行为非常重要。已知硫化物固体电解质在氧化分解后转化为具有氧化还原活性的分解产物并表现出可逆的氧化还原反应。然而，全固态锂硫电池中硫化物固体电解质的分解行为仍不清楚。在本研究项目中，我们通过行星球磨混合正极活性材料Li2S、硫化物固体电解质Li3PS4和碳材料制备了正极复合材料，并对正极复合材料进行了电化学测量和拉曼光谱测量，确定了所有固态锂分析了硫电池充放电过程中电解液的分解行为。基础电化学测量表明，全固态锂硫电池中的氧化还原反应除了正极活性材料的氧化还原反应外，还包括Li3PS4的氧化分解和Li3PS4分解产物的氧化还原反应。长期循环后，正极活性材料失去电化学活性，只有Li3PS4的分解产物出现氧化还原反应。因此，全固态锂硫电池的长期电池性能取决于Li3PS4分解产物的电化学氧化还原活性。当对20个循环后的正极复合材料进行拉曼光谱分析时，检测到源自S-S键的峰。这些实验结果表明，在全固态锂硫电池中，正极活性材料和硫化物固体电解质在充放电过程中发生反应，并转化为含有长链交联硫的硫代磷酸。此外，通过在Li2S中添加少量P2S5，可以抑制充放电过程中电解液的分解，从而获得长期稳定的电池特性。

项目成果

全固体リチウム硫黄電池の電解質分解挙動の解明 ～高性能化に向けた界面設計を加速～

阐明全固态锂硫电池中电解质分解行为 - 加速界面设计以获得更高性能 -

Understanding Decomposition of Electrolytes in All-Solid-State Lithium?Sulfur Batteries

了解全固态锂硫电池中电解质的分解

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02926
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 8.6
• 作者: Gamo Hirotada;Hikima Kazuhiro;Matsuda Atsunori
• 通讯作者: Matsuda Atsunori

全固体Li-S電池における容量劣化機構の解析

全固态锂硫电池容量劣化机理分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 蒲生 浩忠;引間和浩;松田 厚範
• 通讯作者: 松田 厚範