第一作者：周來(lái)東博士通訊作者：Linda F. Nazar教授通訊單位：加拿大滑鐵盧大學(xué)；美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
研究背景
采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)（SE）的全固態(tài)鋰電池（ASSB）具有更高的安全性，是下一代儲(chǔ)能的令人興奮的候選者。其中，具有寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口的高導(dǎo)電SE是實(shí)現(xiàn)高性能ASSBs的關(guān)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(dǎo)率（>10 mS cm-1）和延展性而在過(guò)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(dǎo)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(dǎo)率和高電壓穩(wěn)定性及良好延展性的SE材料至關(guān)重要。
據(jù)報(bào)道，結(jié)晶性差的Li3YCl6表現(xiàn)出相對(duì)良好的離子電導(dǎo)率（0.51 mS cm-1），且可與未涂層的LiCoO2實(shí)現(xiàn)ASSB的穩(wěn)定循環(huán)。因此，氯化物SE因其固有的高氧化穩(wěn)定性（~4.3 V）和許多CAM的表觀化學(xué)穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。ASSB 的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是為了提高能量密度，必須開發(fā)高負(fù)載正極（即面積容量>3 mAh cm-2）。然而，隨著CAM負(fù)載的增加，其內(nèi)部離子/電子傳導(dǎo)滲透顯著下降，導(dǎo)致CAM利用率低。因此，需要同時(shí)具備復(fù)合正極與高導(dǎo)電性SE。
成果簡(jiǎn)介
在此，加拿大滑鐵盧大學(xué)Linda F. Nazar教授等人報(bào)道了一系列快速鋰離子導(dǎo)電氯化物L(fēng)i2InxSc0.666-xCl4 (0 <?x < 0.666)，由于鋰離子分布高度無(wú)序，其表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率（2.0 mS cm-1）及低電子電導(dǎo)率（4.7×10-10 S cm-1），這些有助于實(shí)現(xiàn)高性能ASSB。由于該SE對(duì)未涂層高壓正極材料的優(yōu)異界面穩(wěn)定性，與最先進(jìn)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(xiàn)出更優(yōu)異的倍率性能和長(zhǎng)期循環(huán)。
特別是，基于NCM85的ASSB 具有超過(guò)3000次循環(huán)的長(zhǎng)壽命，室溫下容量保持率為80%。此外，負(fù)載量高達(dá)52.5 mg cm-2 (7 mAh cm-2 ) 的LCO ASSB在室溫和高溫（50 °C）下表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的長(zhǎng)期循環(huán)和高比容量，具有21.6 mg cm-2高負(fù)載的NCM85 ASSB也顯示出>4 mAh cm-2的容量（>190 mAh g-1）。這些超穩(wěn)定、高電壓和高負(fù)載的固態(tài)電池為 ASSB 的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了寶貴的見解，并提供了重要參考。相關(guān)成果以“High areal capacity, long cycle life 4?V ceramic all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Energy（IF=60.858）上。
Linda F. Nazar（琳達(dá)·納薩爾），加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系、化學(xué)工程系教授，是世界電池領(lǐng)域的杰出女性科學(xué)家。自2004年以來(lái)一直是加拿大固體材料一級(jí)研究主席（Tier 1 Canada Research Chair），專注于開發(fā)儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)換新材料的研究。曾榮獲國(guó)際電化學(xué)會(huì)電池部研究獎(jiǎng)（2009）、加州理工摩爾杰出學(xué)者獎(jiǎng)（2010）、國(guó)際純粹化學(xué)會(huì)化學(xué)工程杰出女性科學(xué)家獎(jiǎng)（2011）、加拿大勛章（2015）、CIC獎(jiǎng)?wù)拢?019）、美國(guó)材料學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)拢?020，與崔屹教授共同獲獎(jiǎng)），連續(xù)多年入選全球高被引學(xué)者。Nazar教授的研究重點(diǎn)包括復(fù)雜材料的合成、物理和結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)測(cè)試以及各種儲(chǔ)能設(shè)備的電極設(shè)計(jì)，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(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表文章近300篇，引用達(dá)62000余次，個(gè)人h指數(shù)116（Google Scholar）。課題組主頁(yè)：http://www.science.uwaterloo.ca/~lfnazar/index.html
文獻(xiàn)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
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