又一重大突破！全固态锂电池正极实现根本问题解决

中国粉体网讯  近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员、鞠江伟副研究员等开创性设计出均质化正极材料，颠覆了全固态锂电池复合正极的范式，从根本上解决了与正极非均匀性相关的瓶颈，制备出兼具高能量密度和长循环寿命的全固态锂电池。相关研究成果以“A cathode homogenization strategy for enabling long-cycle-life all-solid-state lithium batteries”为题发表在Nature Energy上。

崔光磊研究团队通过调控LiTi₂（PS₄）₃的电导率和充放电容量，成功合成出兼具高离子电导率（0.2 mS cm⁻¹）、高电子电导率（225 mS cm⁻¹）和高放电比容量（250 mA h g⁻¹）的 Li_1.75Ti₂（Ge_0.25P_0.75S_3.8Se_0.2）₃（简称：LTG_0.25PSSe_0.2）。

作为概念性验证，由LTG_0.25PSSe_0.2作为正极的室温全固态锂电池能够以2.5 C的倍率循环超过20000次，且保持率超过70%。同时，在0.1 C倍率循环下的电池级能量密度达到了390 Wh kg^-1。更加重要的是，同时实现循环超过10000次、面积容量超过1.0 mAh cm⁻²的全固态锂电池也是首次报道！

基于LTG_0.25PSSe_0.2的全固态锂电池中的电化学性能

采用LTG_0.25PSSe_0.2|Li₆PS₅Cl|Li-Si结构的全固态锂电池具有完整的三层致密结构，可以通过Ti、Ge、P、S和Se在各自层中的一致分散来鉴定。

基于LTG_0.25PSSe_0.2正极材料设计的电化学性能测试

测试结果显示，在电流密度2.5 mA cm^-2（2.5C）下，构建的LTG_0.25PSSe_0.2|Li₆PS₅Cl|Li-Si的全固态电池能够循环超过20000次，面积容量达到1mAh cm^-2且比容量为118 mAh g^-1，同时相应的容量保持率达到90.8%（2000次循环）、79.7%（5000次循环）、73.4%（10000次循环）和65.7%（20000次循环）。

当面积容量达到2 mAh cm^-2（8mg cm^-2）时，全固态锂电池仍可显示循环超过1000次循环，对应高容量保持率为82.3%，其库仑效率（CE）分别为99.93%（100此循环）、99.93%（600次循环）和99.99%（1000次循环）。进一步载量增加至34 mg cm^-2（8.5 mAh cm^-2），但在1 mA cm^-2下进行65次循环后，全固态锂电池仍显示出超过5 mAh cm^-2的可逆面积容量！

LTG_0.25PSSe_0.2具有良好的倍率性能。在25次循环中，当施加的电流从0.5 mA cm^-2增加到8.2 mA cm^-2时，放电容量分别为250、234、209、177和134 mAh g^-1。

为了测试其宽的温度范围性能，全固态锂电池在0.25 mA cm^-2的载量下，测试了-30℃和80℃的温度范围内的性能。

在−20℃下稳定循环超过200次，全固态锂电池可以保持145 mAh g^-1的放电容量，CE为100%。

在−30℃的更低温度下，全固态锂电池仍然可以显示超过600次循环的稳定运行，保持62 mAh g^-1的高CE（100%）。

在80℃的高温下，全固态锂电池还可以提供170 mAh g^-1的比容量，100次循环后保持100% CE，这表明LTG_0.25PSSe_0.2在较宽的温度范围内成功运行。

研究机理

接触紧密。LTG_0.25PSSe_0.2均匀正极具有非常密集的截面，与电解质层紧密接触，这是由于LTG_0.25PSSe_0.2的低杨氏模量（17.0 GPa），使其容易被密集压缩。经过20000次循环后，LTG_0.25PSSe_0.2均匀正极保持致密和集成。一方面，低杨氏模量可以通过应变调节更好地适应应力，在循环过程中有利于接触；另一方面，在循环过程中，LTG_0.25PSSe_0.2的体积变化太小（1.2%），无法引起裂纹。

稳定性好。根据测试数据，与原始结果相比，循环后阳离子和阴离子谱基本不变，没有发现可能的Li₃PS₄、Li₂S、氯化锂等杂质相峰，表明LTG_0.25PSSe_0.2本身具有良好的电化学稳定性和与Li₆PS₅Cl电解质的化学稳定性。结果显示，未循环的全固态锂电池阻抗为23 Ω cm²，在20000次循环后仅增加21%至28 Ω cm²，对应的平均增长率仅为0.105%。

小结

崔光磊研究团队以100%正极活性材料（LTG_0.25PSSe_0.2）构筑的全固态锂电池，其390 Wh/kg的高能量密度是目前所报道长循环全固态锂电池的1.3倍。该均质化正极策略将有助力于全固态锂电池的快速商业化，对开发高能量密度、长使用寿命的储能设备，发展新型生产力，加快我国建设新型能源体系具有里程碑式的意义。

参考来源：

中国科学院青岛能源所、能源学人、Nature Energy、网络公开信息等

（中国粉体网编辑整理/苏简）

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