Stable Cycling Lithium–Sulfur Solid Batteries with Enhanced Li/Li10GeP2S12 Solid Electrolyte Interface Stability

电解质 材料科学 化学工程 电极 阴极 锂(药物) 快离子导体 离子液体 复合数 复合材料 催化作用 化学 有机化学 物理化学 工程类 内分泌学 医学
作者
Ediga Umeshbabu,Bizhu Zheng,Jianping Zhu,Hongchun Wang,Yixiao Li,Yong Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (20): 18436-18447 被引量:91
标识
DOI:10.1021/acsami.9b03726
摘要

We herein explore a facile and straightforward approach to enhance the interface stability between the lithium superionic conducting Li10GeP2S12 (LGPS) solid electrolyte and Li metal by employing ionic liquid such as 1 M lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI)/N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR13TFSI) as the interface modifier. The results demonstrated the presence of 1 M LiTFSI/PYR13TFSI ionic liquid; the interface stability at the electrode/solid electrolyte (i.e., Li/LGPS) was improved remarkably by forming an in situ solid electrolyte interphase (SEI) layer. As a result, an effectively reduced interfacial resistance from 2021 to 142 Ω cm2 and stable Li stripping/plating performance (over 1200 h at 0.038 mA cm–2 and 1000 h at 0.1 mA cm–2) were achieved in the Li/LGPS/Li symmetric cells. On this basis, the Li–S solid-state batteries were further architectured with one of the S@C composite [where C is the ketjen black carbon (KBC) or PBX 51-type activated carbon (PBX51C) or multiwalled carbon nanotubes (MCNTs)] cathode and the LGPS solid electrolyte. The batteries with S@KBC electrodes delivered an excellent discharge/charge performance with a high initial discharge capacity of 1017 mA h g–1 and better stability than those of the batteries with the S@PBX51C and S@MCNTs electrodes. High surface area, unique beneficial pore structure, and better particle dispersion of sulfur in the S@KBC composite facilitate high sulfur utilization and also increase the intimate contact between the electrode and LGPS solid electrolyte during the discharge/charge process.
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