祝红丽教授AM：全固态电池实现1000次循环！硅+超薄硫化物+NCM811

研究背景

全固态锂电池（ASLBs）因其优良的阻燃性和较高的能量密度而受到人们的广泛关注。在各种超离子导体中，硫化物固态电解质(SEs)表现出极高的室温离子电导率(>1 mS cm^-1)，这使得ASLBs无需额外加热即可工作。然而，硫化物SEs的电化学稳定性窗口较窄(1.7~2.3 V vs. Li⁺/Li)，对许多传统电极(如过渡金属氧化物和锂负极）具有反应活性。为了达到与商用锂离子电池相当甚至更高的能量密度，选择具有高能量密度和与硫化物SEs兼容性的电极是非常重要的。

尽管锂负极具有较高的能量密度，但是枝晶的生长带来了安全隐患。当锂与硫化物配对，界面化学、电化学和机械稳定性是主要关注的问题。通过引入界面保护层、优化SEs生成更稳定的固体电解质界面相(SEI)、在Li金属中使用添加剂来调整沉积行为等策略，都可以使界面更稳定。

然而，在大规模生产中，将锂金属阳极与硫化物SEs耦合的ASLBs商业化仍有很长的路要走，这需要解决界面反应问题，并在现有的制造中采用锂金属存在挑战。

硅具有3590 mAh g^-1的超高室温理论容量，约为常规石墨的10倍。还原电位平均为0.4 V (vs. Li⁺/Li)，避免了Li枝晶形成的风险，硅价格也很便宜。因此，硅阳极引起了工业界的极大兴趣。然而，硅和硫化物之间的兼容性还很少有人研究。

成果简介

祝红丽教授AM：全固态电池实现1000次循环！硅+超薄硫化物+NCM811

近日，美国东北大学祝红丽教授等人在Advanced Materials发表成果，High Performance Sulfide-based All-solid-state Batteries Enabled by Electrochemo-Mechanically Stable Electrodes，实现了高性能硫化物基全固态电池。

在本工作中，作者系统地评价了Si和Li金属阳极在硫化物SE基ASLB中的实际应用。采用纳米Si、Li₆PS₅Cl和导电碳的复合材料作为阳极，实现了具有优异电池级能量密度的ASLBs。复合阳极采用大规模球磨法制备，循环性能稳定。此外，还研究了硅表面的界面涂层，包括制备离子导电层和电子导电层。

阴极侧采用单晶LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂(S-NMC811)作为阴极活性材料。采用溶胶凝胶法制备薄层硅酸锂(Li₂SiO_x)作为S-NMC界面稳定剂，缓解了NMC与硫化物SE的副反应，这种方法可以在工业上进行放大，具有非常好的前景。为了进一步提高电池层的能量密度，降低内阻，加上采用了厚度小于50 μm的硫化物SE薄层（Li₆PS₅Cl）作为离子导电膜。

这些组合最终获得了电池级的高性能，电流密度分别为0.158 mA cm^-2和3.16 mA cm^-2时，能量密度分别为285 Wh kg^-1和177 Wh kg^-1。当在C/3倍率循环，电池提供145 mAh g^-1的高比容量，并保持稳定的1000次循环。

这项工作说明了ASLB大规模商业化具有良好的前景，安全和经济的能源存储的大规模生产线是可行的。

图文详情