采用無機固體電解質（SE）的全固態鋰電池（ASSB）具有更高的安全性，是下一代儲能的令人興奮的候選者。其中，具有寬電化學穩定窗口的高導電SE是實現高性能ASSBs的關鍵組成部分。在不同類型的SE中，硫代磷酸鹽（硫化物）由于通常具有高離子電導率（>10 mS cm-1）和延展性而在過去十年中引起了極大的研究興趣。然而，硫化物在低電位下易被氧化（~ 2.5 V），導致其與典型的4 V正極活性材料（CAM）不相容。因此，找到具有高離子電導率和高電壓穩定性及良好延展性的SE材料至關重要。
據報道，結晶性差的Li3YCl6表現出相對良好的離子電導率（0.51 mS cm-1），且可與未涂層的LiCoO2實現ASSB的穩定循環。因此，氯化物SE因其固有的高氧化穩定性（~4.3 V）和許多CAM的表觀化學穩定性而受到廣泛關注。ASSB 的另一個主要挑戰是為了提高能量密度，必須開發高負載正極（即面積容量>3 mAh cm-2）。然而，隨著CAM負載的增加，其內部離子/電子傳導滲透顯著下降，導致CAM利用率低。因此，需要同時具備復合正極與高導電性SE。
成果簡介
在此，加拿大滑鐵盧大學Linda F. Nazar教授等人報道了一系列快速鋰離子導電氯化物Li2InxSc0.666-xCl4 (0 <?x < 0.666)，由于鋰離子分布高度無序，其表現出高離子電導率（2.0 mS cm-1）及低電子電導率（4.7×10-10 S cm-1），這些有助于實現高性能ASSB。由于該SE對未涂層高壓正極材料的優異界面穩定性，與最先進的ASSB相比，利用LiCoO2（LCO）或LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2（NCM85）組裝的ASSB在4.8 V的高壓下表現出更優異的倍率性能和長期循環。
特別是，基于NCM85的ASSB 具有超過3000次循環的長壽命，室溫下容量保持率為80%。此外，負載量高達52.5 mg cm-2 (7 mAh cm-2 ) 的LCO ASSB在室溫和高溫（50 °C）下表現出非常穩定的長期循環和高比容量，具有21.6 mg cm-2高負載的NCM85 ASSB也顯示出>4 mAh cm-2的容量（>190 mAh g-1）。這些超穩定、高電壓和高負載的固態電池為 ASSB 的設計和開發提供了寶貴的見解，并提供了重要參考。相關成果以“High areal capacity, long cycle life 4?V ceramic all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes”發表在國際頂級期刊Nature Energy（IF=60.858）上。
圖文詳情
一、氯化物SE的合成和表征
圖1. Li2InxSc0.666-xCl4的XRD圖譜和鋰離子電導率
圖2. Li2In1/3Sc1/3Cl4的結構和建議的鋰離子擴散途徑二、典型電池負載為1.25 mAh cm-2的ASSB
Linda F. Nazar（琳達·納薩爾），加拿大滑鐵盧大學化學系、化學工程系教授，是世界電池領域的杰出女性科學家。自2004年以來一直是加拿大固體材料一級研究主席（Tier 1 Canada Research Chair），專注于開發儲能與轉換新材料的研究。曾榮獲國際電化學會電池部研究獎（2009）、加州理工摩爾杰出學者獎（2010）、國際純粹化學會化學工程杰出女性科學家獎（2011）、加拿大勛章（2015）、CIC獎章（2019）、美國材料學會獎章（2020，與崔屹教授共同獲獎），連續多年入選全球高被引學者。Nazar教授的研究重點包括復雜材料的合成、物理和結構表征、電化學測試以及各種儲能設備的電極設計，特別是有前景的納米材料的研究。曾在Science、Nature Energy、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等國際頂級期刊發表文章近300篇，引用達62000余次，個人h指數116（Google Scholar）。課題組主頁：http://www.science.uwaterloo.ca/~lfnazar/index.html
文獻信息
High areal capacity, long cycle life 4?V ceramic all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes, Nature Energy 2022. DOI: 10.1038/s41560-021-00952-0
