又一重大突破！全固態鋰電池正極實現根本問題解決

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員、鞠江偉副研究員等開創性設計出均質化正極材料，顛覆了全固態鋰電池復合正極的范式，從根本上解決了與正極非均勻性相關的瓶頸，制備出兼具高能量密度和長循環壽命的全固態鋰電池。相關研究成果以“A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries”為題發表在Nature Energy上。

崔光磊研究團隊通過調控LiTi₂（PS₄）₃的電導率和充放電容量，成功合成出兼具高離子電導率（0.2 mS cm^?1）、高電子電導率（225 mS cm^?1）和高放電比容量（250 mA h g^?1）的 Li_1.75Ti₂（Ge_0.25P_0.75S_3.8Se_0.2）₃（簡稱：LTG_0.25PSSe_0.2）。

作為概念性驗證，由LTG_0.25PSSe_0.2作為正極的室溫全固態鋰電池能夠以2.5 C的倍率循環超過20000次，且保持率超過70%。同時，在0.1 C倍率循環下的電池級能量密度達到了390 Wh kg^-1。更加重要的是，同時實現循環超過10000次、面積容量超過1.0 mAh cm^?2的全固態鋰電池也是首次報道！

基于LTG_0.25PSSe_0.2的全固態鋰電池中的電化學性能

采用LTG_0.25PSSe_0.2|Li₆PS₅Cl|Li-Si結構的全固態鋰電池具有完整的三層致密結構，可以通過Ti、Ge、P、S和Se在各自層中的一致分散來鑒定。

基于LTG_0.25PSSe_0.2正極材料設計的電化學性能測試

測試結果顯示，在電流密度2.5 mA cm^-2（2.5C）下，構建的LTG_0.25PSSe_0.2|Li₆PS₅Cl|Li-Si的全固態電池能夠循環超過20000次，面積容量達到1mAh cm^-2且比容量為118 mAh g^-1，同時相應的容量保持率達到90.8%（2000次循環）、79.7%（5000次循環）、73.4%（10000次循環）和65.7%（20000次循環）。

當面積容量達到2 mAh cm^-2（8mg cm^-2）時，全固態鋰電池仍可顯示循環超過1000次循環，對應高容量保持率為82.3%，其庫侖效率（CE）分別為99.93%（100此循環）、99.93%（600次循環）和99.99%（1000次循環）。進一步載量增加至34 mg cm^-2（8.5 mAh cm^-2），但在1 mA cm^-2下進行65次循環后，全固態鋰電池仍顯示出超過5 mAh cm^-2的可逆面積容量！

LTG_0.25PSSe_0.2具有良好的倍率性能。在25次循環中，當施加的電流從0.5 mA cm^-2增加到8.2 mA cm^-2時，放電容量分別為250、234、209、177和134 mAh g^-1。

為了測試其寬的溫度范圍性能，全固態鋰電池在0.25 mA cm^-2的載量下，測試了-30℃和80℃的溫度范圍內的性能。

在?20℃下穩定循環超過200次，全固態鋰電池可以保持145 mAh g^-1的放電容量，CE為100%。

在?30℃的更低溫度下，全固態鋰電池仍然可以顯示超過600次循環的穩定運行，保持62 mAh g^-1的高CE（100%）。

在80℃的高溫下，全固態鋰電池還可以提供170 mAh g^-1的比容量，100次循環后保持100% CE，這表明LTG_0.25PSSe_0.2在較寬的溫度范圍內成功運行。

研究機理

接觸緊密。LTG_0.25PSSe_0.2均勻正極具有非常密集的截面，與電解質層緊密接觸，這是由于LTG_0.25PSSe_0.2的低楊氏模量（17.0 GPa），使其容易被密集壓縮。經過20000次循環后，LTG_0.25PSSe_0.2均勻正極保持致密和集成。一方面，低楊氏模量可以通過應變調節更好地適應應力，在循環過程中有利于接觸；另一方面，在循環過程中，LTG_0.25PSSe_0.2的體積變化太小（1.2%），無法引起裂紋。

穩定性好。根據測試數據，與原始結果相比，循環后陽離子和陰離子譜基本不變，沒有發現可能的Li₃PS₄、Li₂S、氯化鋰等雜質相峰，表明LTG_0.25PSSe_0.2本身具有良好的電化學穩定性和與Li₆PS₅Cl電解質的化學穩定性。結果顯示，未循環的全固態鋰電池阻抗為23 Ω cm²，在20000次循環后僅增加21%至28 Ω cm²，對應的平均增長率僅為0.105%。

小結

崔光磊研究團隊以100%正極活性材料（LTG_0.25PSSe_0.2）構筑的全固態鋰電池，其390 Wh/kg的高能量密度是目前所報道長循環全固態鋰電池的1.3倍。該均質化正極策略將有助力于全固態鋰電池的快速商業化，對開發高能量密度、長使用壽命的儲能設備，發展新型生產力，加快我國建設新型能源體系具有里程碑式的意義。

參考來源：

中國科學院青島能源所、能源學人、Nature Energy、網絡公開信息等

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