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硫系固体电解质基础研究取得新进展
作者: irglass 时间: 2020-04-26 浏览:3,003 次

       近日,我室马宝琛硕士研究生(第一作者)、焦清博士(通讯作者)等人在硫系固体电解质开发及制备基础研究方面取得进展,论文题目为:Physical and electrochemical behaviors of AgX (X = S/I) in a GeS2–Sb2S3 chalcogenide-glass matrix.相关研究工作在Ceramics International (SCI, IF = 3.45) 上发表。(DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.138)

       固态电解质(SSEs)已经成为电池中安全、高能量密度和可逆储存电化学能量的高优先级材料。其中,碱金属掺杂的硫系固态电解质因其拥有良好的电导率,较低的活化能以及易于制备的特点,近些年来引起众多研究者的广泛关注。但通过不断地深入研究与调研发现,高性能的硫系固体电解质材料往往面临着热稳定性能小,机械强度较差的实际应用问题。基于对高电导性能的硫系固体电解质结构体系以及宏观物理性能优化的目的,通过在Ge-Sb-S体系的硫系玻璃中掺入Ag2S以及AgI化合物,引入自由迁移的Ag+离子以及大半径、高极性I-离子的组分调控设计制备了一系列新型的硫系玻璃,并对其进行电导率等性能表征,分析玻璃网络结构与电导率性能之间的关系,获得了组分调控的电导率性能的提升机制,为新型高效全固态的电池的开发提供了科学的实验数据。

       前期首先制备了Ag2S 掺杂的(1-x)(0.5GeS2–0.5Sb2S3)–xAg2S (0.1 ≤ x ≤ 0.6)体系,旨在尽量减少破坏GeSbS连接骨架的基础上,增加网络中载流子Ag+的浓度,从下图所示DSC,机械硬度以及密度等宏观物理表征数据中可以看出在该掺杂阶段,材料稳定的物理特性。随后在硫化银掺杂的基础上制备了AgI掺杂的(1-y)[0.5(0.5GeS2–0.5Sb2S3)–0.5Ag2S]–yAgI (0.1 ≤ y ≤ 0.2)体系,得到了材料稳定性较好,电化学性能较高的硫系固态电解质,其电导率可达3.54 × 10-4 S/cm,活化能为0.24 eV。与此同时,该工作还探究了材料电导率,指前因子以及活化能相互之前的关联,并在I-掺杂初期推断在网络结构中含有离子阻塞现象,表现为材料的活化能与电导率数据的优化随Ag+浓度上升而不明显,而继续掺入AgI时对两者的影响较为明显。研究结果对今后金属掺杂的硫系固态电解质机理的探索和深入挖掘提供了更多的实验基础与实际意义。

图1. (1-x)GeSbS–xAg2S (0.1 ≤ x ≤ 0.5)所制备的样品图片。

图2. 惰性气体氛围保护下样品的DSC测试图谱。

图3. AgI, Ag2S掺杂的样品线性阿伦尼乌斯表征图谱。

图4. 室温下测试样品的电导率与活化能变化趋势图。