本论文通过在聚环氧乙烷（PEO）基固体正极中引入五硫化磷（P2S5）作为焊接填料，有效解决了全固态锂硫电池（SSLSBs）中因溶解的锂多硫化物（LiPS）和缓慢的反应动力学导致的离子导电网络中断问题。五硫化磷（P2S5）能与LiPS反应生成离子导电的锂多硫化磷酸酯（LSPS），不仅抑制了LiPS与PEO的相互作用，修复了离子导电网络中的断点，还催化了硫的氧化还原反应，降低了硫还原反应的活化能，从而缓解了穿梭效应，明显提升了电池的循环稳定性和能量密度。
随着电动汽车、可再次生产的能源存储和便携式设备的发展，对电池单位体积内的包含的能量的要求日益提高，超越了当前锂离子电池的能力。锂硫电池（LSBs）因其高理论单位体积内的包含的能量（2600 Wh kg−1）而非常关注，但在实际应用中，它们面临着“穿梭效应”的挑战，这是由锂多硫化物（LiPS）的溶解和扩散引起的，同时，基于易燃醚类电解液的安全问题也令人关注。未解决这样一些问题，研究者们正在开发全固态电池（SSLSBs），通过消除游离液态电解液来组装高单位体积内的包含的能量且安全的LSBs。在SSLSBs中，离子传导完全依赖于硫颗粒与电解液或离子导体之间的直接接触，但这种相互作用容易被硫和Li2S之间巨大的体积变化和侧反应所破坏，阻碍了离子的迁移。因此，构建一个稳定的离子导电网络对于实际SSLSBs至关重要。与刚性的无机电解液或离子导体相比，像聚环氧乙烷（PEO）这样的固体聚合物电解液提供了更好的选择，因为它们出色的柔韧性和弹性能够容忍体积变化。然而，即使在PEO基SSLSBs中，由于重复的乙烯氧化物单元具有较高的Gutmann供体数，LiPS的形成任旧存在，这破坏了PEO分子结构并降低了离子电导率。尽管已有相当的努力通过防止LiPS与PEO的干扰来减轻有关问题，但这一些方法只是部分有效，因为受损的离子导电网络无法修复。此外，LiPS向Li2S2/Li2S转化的缓慢动力学，作为硫还原反应（SRR）中的速率决定步骤，加剧了LiPS的积累，特别是在高硫负载条件下，导致离子导电网络的持续破坏。缓慢的反应动力学还导致低硫利用率和严重的穿梭效应，缩短了PEO基SSLSBs的循环寿命。因此，修复离子导电网络和增强LiPS转化是推动PEO基SSLSBs实际应用的关键。
图 1： 在没有P2S5的情况下，PEO中的C−O−C基团被LiPS还原，导致离子导电网络中形成断点。然而，在添加了P2S5之后，P2S5与LiPS反应形成离子导电的锂多硫化磷酸酯（LSPS），这抑制了与PEO的相互作用，并在离子导电网络中原位焊接断点。
图 3： 通过S K-edge XANES光谱、P 2p、S 2p XPS光谱和拉曼光谱分析了Li2S6、P2S5和LSPS之间的相互作用和反应产物。此外，还评估了这些固体的离子导电性，显示LSPS具有潜在的离子导电性。
图 4：通过循环伏安测试（CV）曲线、Tafel图和激活能分析，展示了P2S5添加剂如何增强整个SRR的反应动力学，尤其是对于液-固转换步骤。
图 5： 通过光学显微镜（OM）图像和准原位FTIR光谱，直接观察了有无P2S5时LiPS在电池中的扩散和PEO结构的破坏情况。
图 6： 展示了有无P2S5的PEO基SSLSBs的电化学性能，包括倍率性能、0.1 C下的恒流充放电曲线、高负载SSLSBs的循环性能以及0.3 C下的循环稳定性。插图显示了循环后锂金属阳极的SEM图像和光学照片，进一步证实了P2S5添加剂在抑制穿梭效应和提高电池性能方面的效果。
研究团队通过在聚环氧乙烷（PEO）基固态锂硫电池（SSLSBs）的正极中引入五硫化磷（P2S5）作为焊接填料，有效地解决了实现高性能和稳定PEO基SSLSBs的瓶颈问题。P2S5的双重功能策略，一方面与LiPS反应形成离子导电的锂多硫化磷酸酯（LSPS），抑制了PEO中醚氧原子的降解并重建了循环中的混合导电网络，增强了正极内的Li+扩散系数；另一方面，LSPS催化了LiPS向Li2S的快速转化，降低了活化能，抑制了它们的积累和穿梭效应，来提升了硫的利用率。因此，组装的电池展现出了卓越的可逆容量、明显提高的库仑效率和循环稳定性。在4 mg cm−2的硫负载下，电池实现了358 Wh·kg−1的单位体积内的包含的能量。这项研究为开发高能量密度SSLSBs提供了一种有效的方法，并为全固态电池的实际应用提供了一个新的方向，即使用新型焊接填料进行离子导电网络的原位焊接。
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原文标题：天津大学杨全红&清华深研院吕伟JACS：原位焊接离子导电断点以实现高度可逆的全固态锂硫电池
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