All-Solid-State Thin-Film Lithium-Sulfur Batteries

材料科学 阳极 薄膜 法拉第效率 电解质 阴极 化学工程 纳米技术 锂(药物) 储能 电极 电气工程 化学 物理 工程类 内分泌学 物理化学 功率(物理) 医学 量子力学
作者
Renming Deng,Bingyuan Ke,Yonghui Xie,Shoulin Cheng,Congcong Zhang,Hong Zhang,Bingan Lu,Xinghui Wang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1) 被引量:73
标识
DOI:10.1007/s40820-023-01064-y
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) system coupled with thin-film solid electrolyte as a novel high-energy micro-battery has enormous potential for complementing embedded energy harvesters to enable the autonomy of the Internet of Things microdevice. However, the volatility in high vacuum and intrinsic sluggish kinetics of S hinder researchers from empirically integrating it into all-solid-state thin-film batteries, leading to inexperience in fabricating all-solid-state thin-film Li-S batteries (TFLSBs). Herein, for the first time, TFLSBs have been successfully constructed by stacking vertical graphene nanosheets-Li2S (VGs-Li2S) composite thin-film cathode, lithium-phosphorous-oxynitride (LiPON) thin-film solid electrolyte, and Li metal anode. Fundamentally eliminating Li-polysulfide shuttle effect and maintaining a stable VGs-Li2S/LiPON interface upon prolonged cycles have been well identified by employing the solid-state Li-S system with an "unlimited Li" reservoir, which exhibits excellent long-term cycling stability with a capacity retention of 81% for 3,000 cycles, and an exceptional high temperature tolerance up to 60 °C. More impressively, VGs-Li2S-based TFLSBs with evaporated-Li thin-film anode also demonstrate outstanding cycling performance over 500 cycles with a high Coulombic efficiency of 99.71%. Collectively, this study presents a new development strategy for secure and high-performance rechargeable all-solid-state thin-film batteries.
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