李泓/王丽平Joule：解锁微米级转换型FeS₂正极的长循环寿命 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

来自中国科学院物理研究所的李泓研究员和电子科技大学的王丽平教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Unlocking Cycling Longevity in Micro-sized Conversion-type FeS₂ Cathodes”的文章，通过新型电解液、功能粘结剂和碳纳米管“三合一”构造了三维电子-离子导电网络，稳定转换反应锂电池正极材料FeS₂颗粒界面，在电流密度0.5C和4mAh/cm²面容量条件下，实现了微米级FeS₂正极材料循环700周，容量保持72.6%。该工作为实现长循环性能的转换反应正极材料提供了一种简单有效的方法。

▲长按图片识别二维码阅读原文

第一作者：李振东、周格

通讯作者：王丽平、李泓

单位：电子科技大学、天目湖先进储能技术研究院、中国科学院物理研究所、中国科学技术大学

研究背景

高能量密度是锂电池发展的重要方向。转换反应正极材料MX_n（其中M=Fe, Co, Ni, Cu, Mn, etc.; X=Cl, S, O, F, etc.) 具有成本低和能量密度高的优点，被认为“下一代锂电池”技术的关键材料。然而，其具有循环性能差的挑战。主要原因有以下几点：1）充放电过程中体积形变大，导致电子-离子导电网络失效；2）充放电过程中发生相变，多相的反复生成导致成核-生长不均匀，固/固反应慢；3）放电产物会产生溶解-再沉积，导致原来的导电网络失效。因此实现稳定的电子-离子导电网络是提高循环性能的关键。

本文要点

要点一：构造三维电子-离子导电网络

设计思路：“电解液-粘接剂-导电剂”三合一构筑三维电子-离子导电网络。选择并优化局域高浓度电解液（LHCE，1.50 M LiFSI in DME/OFE/TTE）在FeS₂颗粒表面构造富含无机组分的离子导体（CEI），可抑制放电产物多硫化物的溶解-再沉积，利用功能粘接剂聚丙烯腈和葡萄糖（PAN/G）的极性官能团实现与FeS₂物理-化学强交联作用，并加入二维电子导体碳纳米管，可有效保障充放电过程中体积形变导致的电子通道通畅。

图1 构造三维电子-离子导电网络示意图

要点二：微米FeS₂正极极片高面容量和长循环性能

通过电解液和粘接剂的改性，微米级FeS₂正极材料在0.5C电流密度下，4mAh/cm²面容量循环700周，容量保持72.6%，并且具有优异的倍率性能。

图2 微米FeS₂在扣式电池中的电化学性能

要点三：三维电子-离子导电网络有效抑制极片体积膨胀

“电解液-粘接剂-碳纳米管”三合一构筑的三维电子-离子导电网络，可以有效的抑制体积膨胀。体积膨胀很大的一个原因被认为无稳定的界面，放电产物多硫化物会溶解-再沉积。在局域高浓度-聚乙烯腈/葡萄糖-碳纳米管的条件下，FeS₂极片循环20周后，体积膨胀仅为33.6%，而传统的粘接剂PVDF-醚类电解液的极片循环20周后，体积膨胀为100.4%。循环后，FeS₂颗粒表面含富F的CEI膜，拥有更稳定的界面。

图3 FeS₂极片循环前后的形貌和体积变化

图4 FeS₂极片循环100周后的形貌和XPS谱

要点四：FeS₂-Li软包电池

在N/P=2.4，电解液3.2g/Ah，正极极片压实3.0g/cm³条件下，制备了5 Ah的FeS₂-Li软包电池，0.1C电流密度下，可实现循环98周，正极极片的能量密度为1229 Wh/kg。循环98周后，电池膨胀为41.6%。电池失效的主要原因为电解液干涸。同时，该工作也实现了转换反应型正极从材料-极片-电池的有效验证。

图5 FeS₂-Li软包电池

作者介绍

王丽平

教授

王丽平，电子科技大学教授/博士生导师。中南大学应用化学学士（2006年）、中科院物理研究所凝聚态物理和法国亚眠大学固体材料（双）博士（2011年），2012-2014年在德国马普胶体与界面研究所、美国布鲁克海文国家实验室从事研究工作。从事高能量密度锂电池材料和器件研究，主持国家自然科学基金（3项）、四川省杰出青年科学基金、企业委托技术开发等项目10余项；在Joule、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Nature Communications等期刊共发表学术论文100余篇，论文SCI他引5000余次；申请发明专利29项，获授权18项；合作撰写《锂电池基础科学》专著一部；在国内国际做邀请报告20余次。担任Nano Research期刊客座编辑，Energy Material Advances期刊和eScience期刊青年编委。

李 泓

研究员

李泓，中国科学院物理研究所研究员。主要研究方向为高能量密度锂离子电池、固态锂电池、电池失效分析、固态离子学。提出和开发了高容量纳米硅碳负极材料及基于原位固态化技术的混合固液电解质高能量密度锂离子电池等。发表了400余篇学术论文，授权70余项发明专利，H因子105。目前是科技部和工信部十四五储能和智能电网重点专项总体组组长。国际锂电池会议、国际固态离子学会、国际储能联盟科学执委会成员。 

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Joule上

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Unlocking Cycling Longevity in Micro-sized Conversion-type FeS₂ Cathodes

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00409-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.003

▲长按图片识别二维码阅读原文

1974年，我们出版了首本旗舰期刊《细胞》。如今，CellPress已发展为拥有50多本期刊的全科学领域国际前沿学术出版社。我们坚信，科学的力量将永远造福人类。

CellPress细胞出版社

推荐阅读