發(fā)布時間：2023年2月6日
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具有高離子電導(dǎo)率的硫化物固體電解質(zhì)是構(gòu)建下一代高能量密度和高安全性全固態(tài)電池的關(guān)鍵材料。然而硫化物電解質(zhì)面臨對水敏感、電化學(xué)窗口窄，與高電壓氧化物正極材料不匹配等問題，阻礙了硫化物基全固態(tài)電池的實際生產(chǎn)和應(yīng)用。傳統(tǒng)解決硫化物電解質(zhì)與高電壓正極匹配性問題的方法是對正極顆粒進行包覆，包覆材料通常選擇電子絕緣材料，比如LiNbO3、Li4Ti5O12、Li3InCl6等。但這種方法往往需要額外復(fù)雜的包覆過程，成本高，而且難以獲得完整包覆層；更重要的是電子絕緣包覆材料會阻礙正極顆粒間電荷傳輸，導(dǎo)致電池實際性能依然不理想。此外硫化物電解質(zhì)還存在嚴(yán)重的水分敏感問題，嚴(yán)重困擾著硫化物固態(tài)電解質(zhì)的實際生產(chǎn)與操作。因此，為了更好的實際應(yīng)用，迫切需要開發(fā)一種新的簡便的解決方案，以緩解/解決硫化物固體電解質(zhì)的濕氣敏感性和界面穩(wěn)定性，從而在目前的電池制造基礎(chǔ)上，以最小的改動制造出高性能的基于硫化物固體電解質(zhì)的全固態(tài)電池。
近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心王雪鋒特聘研究員和王兆翔研究員（共同通訊作者）等人利用簡單的氣-固反應(yīng)，通過CO2/O2自發(fā)地與硫化物電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成表面純化層，可以顯著地提高硫化物電解質(zhì)對濕氣的穩(wěn)定性和與高電壓正極LiCoO2的界面穩(wěn)定性，實現(xiàn)高容量、長壽命的全固態(tài)電池。
通過冷凍電鏡、X射線光電子能譜等多種表征手段表明，CO2在常溫下與硫化物電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)在表面形成Li2CO3包覆層，其厚度可以通過調(diào)控反應(yīng)時間及顆粒粒徑來控制。CO2處理雖然稍微降低了材料的體相電導(dǎo)率，但是明顯提高了材料對水分的穩(wěn)定性。采用無表面修飾的商品鈷酸鋰LiCoO2作為正極材料，在2.6-4.5V高電壓區(qū)間循環(huán)，含CO2/O2處理后樣品的全固態(tài)電池能具出更高的首周庫倫效率和倍率性能。尤其是得益于極低的界面阻抗，含CO2處理1h樣品的全固態(tài)電池能夠在0.5C倍率下（2小時內(nèi)完成一次充電/放電）穩(wěn)定循環(huán)2100周，容量保持率為89.4%，并且循環(huán)過程的充電極化僅有微小增長，遠遠超出目前文獻報導(dǎo)的基于LiCoO2硫化物全固態(tài)電池循環(huán)性能。通過這種策略，可以實現(xiàn)在富含二氧化碳的環(huán)境或干燥的房間中生產(chǎn)和制造基于硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)電池，并獲得比在充滿氬氣的手套箱中組裝的全固態(tài)電池更好的電化學(xué)性能。這些結(jié)果為硫化物全固態(tài)電池實際應(yīng)用提供了新的可行途徑。
相關(guān)成果以“Spontaneous Gas-Solid Reaction on Sulfide Electrolyte for High-Performance All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。上述研究工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃和北京市自然科學(xué)基金的資助。
來源：中國科學(xué)院物理研究所 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心 2023.02.06