厦门大学杨勇团队ACS Energy Letters：电解质界面修饰实现高电压高载量及长循环的硫化物全固态锂电池

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厦门大学杨勇团队ACS Energy Letters：电解质界面修饰实现高电压高载量及长循环的硫化物全固态锂电池
基于硫化物固体电解质的全固态锂电池由于其兼具高安全性以及高能量密度而受到了广泛的关注。众所周知，拓展电池正极工作电压区间有望进一步提高固态电池能量密度，然而硫化物电解质的电化学稳定窗口较窄，在高电压条件下工作时正极-电解质界面稳定性较差，导致界面副反应持续发生。
另外高电压下低嵌锂态的正极内局部应力大从而电极材料本身及其正极-电解质界面的力学（机械）失效等一系列问题。因此如何构建高电压条件下稳定的正极-电解质界面，实现电池稳定的电化学循环性能已成为制约基于硫化基固态电解质全固态锂电池发展的障碍。
厦门大学杨勇团队ACS Energy Letters：电解质界面修饰实现高电压高载量及长循环的硫化物全固态锂电池
在此，厦门大学杨勇教授团队采用二氟草酸硼酸锂 (LiDFOB) 作为硫化物电解质Li6PS5Cl (LPSCl) 包覆层材料制备包覆型电解质。
将LiDFOB@LPSCl与未包覆的LiCoO2 (LCO) 正极材料匹配制备得到复合正极。在2.8-4.5 V (vs Li+/Li) 电压工作电压区间进行电化学循环性能测试，具有电解质包覆层的复合正极可以在4.5 V 1C (1C = 150 mA g-1) 条件下循环1500圈实现89.3%容量保持率；0.1C条件下放电比容量可达183 mAh g-1，在2C条件下具有138 mAh g-1放电比容量；在高面负载量 (>6 mAh cm-2) 条件下，0.3C倍率200圈充放电循环后保持85%初始放电容量，同时LiDFOB@LPSCl和未包覆单晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 正极材料也展现出良好的兼容性。
LiDFOB@LPSCl电解质可以有效地抑制正极-电解质界面在高电压下副反应的发生，保护电解质结构不被破坏；同时包覆型电解质具有更低的杨氏模量，可以更好地缓冲正极材料在充放电过程中的体积变化，缓解界面应力堆积问题，避免机械失效。因此电化学失效抑制和机械失效抑制二者相协同保证了硫化物全固态锂电池优异的电化学性能。
厦门大学杨勇团队ACS Energy Letters：电解质界面修饰实现高电压高载量及长循环的硫化物全固态锂电池
图1. 电化学性能测试
总之，该工作通过设计制备一种包覆型硫化物固态电解质材料LiDFOB@LPSCl，改善了硫化物全固态电池在4.5 V高工作电压条件下的电化学性能。
电化学测试结果表明未包覆的LCO正极材料匹配LiDFOB@LPSCl可以实现在高电压、高倍率、高载量下稳定的长循环性能。表征测试结果证明包覆型硫化物电解质可以通过电化学界面副反应抑制作用和机械失效抑制作用相协同，二者共同实现高电压硫化物全固态电池优异的电化学性能。
最后对传统正极包覆策略和电解质包覆策略进行了对比分析，并论证了电解质包覆策略是一种更为有效的界面修饰手段。
因此，该工作提出了一种从电解质角度出发的界面修饰策略设计方案，为构建高能量密度硫化物全固态电池提供了新的思路。
厦门大学杨勇团队ACS Energy Letters：电解质界面修饰实现高电压高载量及长循环的硫化物全固态锂电池
图2. 机理探究
Surface Engineering Strategy Enables 4.5 V Sulfide-Based All-Solid-State Batteries with High Cathode Loading and Long Cycle Life, ACS Energy Letters 2023 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01047

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