全固态锂电池(ASSLB)通过使用不易燃的无机固体电解质,显著提高了当今锂离子电池的安全性和能量密度,固体电解质在ASSLB方面起着关键作用。
由于具有优异的离子传导性和机械性能,硫化物基固体电解质是最有希望的电解质之一,几种硫化物电解质的离子电导率与有机液体电解质的离子电导率相当或甚至更高,使得全固态锂离子电池具有非常高的循环和速率性能。
然而,在这些ASSLB中通常使用非常厚的固体电解质(~0.5-1.0mm),使得这些ASSLB的电池级能量密度仍限于<200Wh/kg,低于商业化锂离子电池的能量密度。已经报道了许多制备薄电解质层的方法,但从未将这些薄电解质应用到高能量密度的电池中(例如Li-S),这是因为薄电解质层在电池制造或操作期间易于破裂,特别是对于具有大体积的S正极和Li负极。
因此,一般情况下,电池组装使用的正极材料是LiCoO2和FeS2,而负极材料是石墨,Li4Ti5O12和Li-In合金,从而限制了ASSLB的能量密度。
将活性材料与气相生长碳纤维(VGCF)和LPS电解质按重量比为75:10:15混合以制备正极。Li2S在正极复合材料中的含量为43.4wt%,这是所有报道的基于Li2S正极的全固态电池中的最高值。
首先,将得到的正极粉末与聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂混合,在研钵中研磨,然后卷成薄片,将制备好的正极薄膜冷压到SS网状集电器上。
其次,通过将甲苯中LPS悬浮液滴加到Kevlar非织造支架中,随后在真空下干燥过夜来制备薄电解质层。
最后,将LPS-Kevlar电解质冷压在正极膜上,将薄的Li金属附着到固体电解质的顶侧以形成全固态全电池。值得注意的是,本文中LPS与Li不是热力学稳定的,而是通过形成钝化界面来实现界面稳定性。