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Angew. Chem. :兼具成本優勢、低密度、良好負極穩定性的硫化物固態電解質2024-10-07
全固態電池因其高能量密度和高安全性,被認為是最有前景的下一代高比能電池之一。實現全固態電池商業化的關鍵,在于找到合適的固態電解質。除了良好的離子導電性,固態電解質還需要具備極低的密度(以實現更低的電池重量)、良好的負極兼容性(從而使電池能使用鋰金屬、硅等高能量密度負極)、優異的成本競爭力(從而使全固態電池能為市場所接受)。

然而,在目前已報道的氧化物、鹵化物、硫化物固態電解質中,沒有任何一種可以同時具備以上三個特質。近日,中國科學技術大學的馬騁教授團隊開發了一種硫化物固態電解質Li7P3S7.5O3.5?(LPSO),同時實現了上面提到的低密度、良好負極兼容性和優異成本競爭力這三個全固態電池商業化的關鍵要素。

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在將化學計量比的Li2O和P2S5高能球磨后,再在210 °C和280 °C下分別退火0.5 h和1 h,就能得到具有圖片結構的LPSO固態電解質。其具有4.58×10-4?S cm-1的室溫鋰離子電導率,并且其電子電導率比離子電導率低若干個數量級,表明該材料可以作為全固態電池的電解質。

除了良好的離子電導率,固態電解質還應具備較低的密度,否則由其構筑的全固態電池會因重量過大而無法實現高能量密度,而LPSO固態電解質的密度為1.70 g cm-3,遠低于鹵化物(多為2.5 g cm-3左右)和氧化物固態電解質(大多超過5 g cm-3)。

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同時,LPSO很好的繼承了硫化物固態電解質對負極的穩定性。盡管LPSO會被金屬鋰還原,但是其還原產物(包含Li2O, Li2S, LixP)均為電子絕緣體,因此能阻止金屬鋰中的電子繼續進入未反應的LPSO并持續對其進行還原。與此同時,這些反應產物也都允許相對高效的鋰離子傳輸,因此它們的存在并不會阻礙電池循環。將LPSO與鋰金屬直接接觸所構筑的Li | LPSO | Li對稱電池,在25°C,0.1 mA cm-2下實現了4200小時以上的穩定循環。

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除了金屬鋰負極,LPSO電解質與Si負極也具有良好的相容性。LPSO與Si負極、單晶高鎳三元正極LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(scNMC811)所組成的全固態Si | LPSO | scNMC811軟包電池(5 cm × 5 cm),在不同的電流密度下都展現出了優異的電化學性能。

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在兼具低密度和優異負極穩定性的同時,LPSO的原料成本僅$14.42/kg,遠低于$50/kg這一商業化的閾值,也遠低于其他硫化物固態電解質(>$195/kg)。

綜上所述,本工作報道的LPSO固態電解質同時具備極低的密度、良好的負極兼容性、優異的成本競爭力這三個至關重要、但卻難以在其它固態電解質中同時實現的特質。該材料的發現為全固態電池的商業化鋪平了道路。

文信息

A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5?with Low Density and Excellent Anode Compatibility

Hui Li,?Qiaosong Lin,?Dr. Jinzhu Wang,?Lv Hu,?Fang Chen,?Dr. Zhihua Zhang,?Prof. Cheng Ma

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202407892

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