High-Performance All-Solid-State Lithium–Sulfur Battery Enabled by a Mixed-Conductive Li2S Nanocomposite

材料科学 纳米复合材料 电解质 锂硫电池 快离子导体 化学工程 锂(药物) 纳米颗粒 电极 纳米技术 化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学
作者
Fudong Han,Jie Yue,Xiulin Fan,Tao Gao,Chao Luo,Zhaohui Ma,Liumin Suo,Chunsheng Wang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 4521-4527 被引量:347
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01754
摘要

All-solid-state lithium–sulfur batteries (ASSLSBs) using highly conductive sulfide-based solid electrolytes suffer from low sulfur utilization, poor cycle life, and low rate performance due to the huge volume change of the electrode and the poor electronic and ionic conductivities of S and Li2S. The most promising approach to mitigate these challenges lies in the fabrication of a sulfur nanocomposite electrode consisting of a homogeneous distribution of nanosized active material, solid electrolyte, and carbon. Here, we reported a novel bottom-up method to synthesize such a nanocomposite by dissolving Li2S as the active material, polyvinylpyrrolidone (PVP) as the carbon precursor, and Li6PS5Cl as the solid electrolyte in ethanol, followed by a coprecipitation and high-temperature carbonization process. Li2S active material and Li6PS5Cl solid electrolyte with a particle size of ∼4 nm were uniformly confined in a nanoscale carbon matrix. The homogeneous nanocomposite electrode consisting of different nanoparticles with distinct properties of lithium storage capability, mechanical reinforcement, and ionic and electronic conductivities enabled a mechanical robust and mixed conductive (ionic and electronic conductive) sulfur electrode for ASSLSB. A large reversible capacity of 830 mAh/g (71% utilization of Li2S) at 50 mA/g for 60 cycles with a high rate performance was achieved at room temperature even at a high loading of Li2S (∼3.6 mg/cm2). This work provides a new strategy to design a mechanically robust, mixed conductive nanocomposite electrode for high-performance all-solid-state lithium sulfur batteries.
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