PTCDA/CuS复合阴极实现硫化物基全固态电池的高稳定性和长循环寿命

为解决有机正极材料在液态电解质中溶解导致的循环稳定性差等问题，研究人员通过球磨PTCDA/CuS与硫化物固态电解质LPSCB和碳纳米管(CNTs)制备复合阴极，成功构建了高稳定性全固态电池(ASSBs)。该电池在0.2 C电流密度下循环200次后仍保持210 mA·h/g的放电容量，且通过XPS、Raman等表征揭示了Cu2+ 配位和硫键聚合物的可逆反应机制。该研究为开发高能量密度、长寿命ASSBs提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，锂离子电池(LIBs)已成为消费电子、电动汽车和电网储能的核心技术。然而，传统层状氧化物正极如LiNi_x
Co_y
Mn_1–x–y
O₂
存在高温释氧风险，且依赖昂贵的镍、钴等过渡金属。有机正极材料因其环境友好、结构可调等优势备受关注，但液态电解质中的溶解问题严重制约其实际应用。

为解决这一难题，华中科技大学的研究团队创新性地将有机材料苝四甲酸二酐(PTCDA)与硫化铜(CuS)复合，并采用高离子导率的Li_5.5
PS_4.5
Cl_0.8
Br_0.7
(LPSCB)硫化物固态电解质，构建了全固态电池体系。相关成果发表于《Journal of Materiomics》。

研究采用球磨法制备PTCDA/CuS-CNTs-LPSCB复合阴极，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)分析材料结构，结合原位X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)追踪电化学反应过程，并系统评估了不同组分比例对电池性能的影响。

3. 结果与讨论
材料表征：XRD显示复合阴极中LPSCB的衍射峰占主导，而PTCDA特征峰减弱，表明球磨过程可能使部分有机相非晶化。SEM证实复合阴极形成致密的无规颗粒结构，有利于离子/电子传输。

反应机制：XPS分析发现，充放电过程中Cu 2p谱出现Cu···O配位峰(932.9 eV)，S 2p谱中C-S-C键(163.3 eV)强度随循环递增，证实硫键聚合物的动态形成。O 1s谱中O-Li峰(531.7 eV)的可逆变化验证了PTCDA的锂化/脱锂反应。

电化学性能：优化后的PTCDA/CuS 5:5电池在0.2 C下容量从168.6 mA·h/g逐渐提升至210 mA·h/g，超额容量源于LPSCB分解产物的额外贡献。在0.5 C下循环1000次后仍保持86.6 mA·h/g，容量无衰减。相比之下，PTCDA 5:5电池因缺乏CuS的导电网络和硫键稳定作用，容量快速衰减。

4. 结论
该研究通过Cu²⁺
配位和硫键聚合的双重作用，显著提升了PTCDA在硫化物电解质体系中的稳定性。LPSCB的高离子导率(9.6 mS/cm)与CNTs的电子传导网络协同作用，实现了ASSBs在高速率下的长循环性能。这项工作不仅证实了有机正极与硫化物电解质的兼容性，更为设计兼具高能量密度和超长寿命的全固态电池提供了理论依据和实践范式。