新型固態電解質實現32mS cm-1超高室溫離子電導率！瞄準全固態電池實際應用！

能源學人 2023-07-08 09:26:53

【研究亮點】

固態電解質的發展使得固態電池能夠與液態電解質電池競爭，但在確保與電極的良好接觸方面仍然存在挑戰，從而限制了實際中可使用的電極的厚度。本文利用高熵材料的特性，通過增加已知鋰超離子導體的成分復雜性，設計了一種高離子電導固態電解質，以消除離子遷移障礙，同時保持超離子傳導的結構框架。具有復雜組成的固態電解質合成相展現出增強的離子電導率（室溫下達到32mScm-1），且能夠在室溫下對厚鋰離子電池正極進行充電和放電，因此有可能改變傳統的電池配置。

【主要內容】

全固態鋰電池引起了廣泛研究興趣，因為固態電池具有提高安全性和增強能量-功率特性的潛力。經過數十年的研究，全固態電池能夠以>10mAcm-2的高電流密度放電。盡管這些固態電解質的電導率與液態電解質的電導率相當，但它們的剛性可能是一個缺點。由于正極活性材料的表面難以潤濕，固態電解質必須在微觀結構水平上并入電極中，從而導致其內部存在空隙空間。這阻礙了Li+向活性材料的均勻傳輸，導致容量損失。這個問題可能在毫米厚的電極中變得更加明顯，當固態電解質的電導率較低時，歐姆壓降會增加，導致固態電池容量衰減嚴重。無機離子導體的發展歷史表明，電導率的增強是通過多重取代策略實現的。多重取代方法對于實現具有更高離子電導率的相具有前景，前提是材料具有超離子傳導路徑的特定晶體結構，例如LGPS型晶體結構。然而，還沒有實際的原理來實現陰離子和陽離子的組成復雜性或避免目標晶體結構的崩潰。因此，這種多元素替代策略尚未用于設計具有高電導率的超離子晶體。

鑒于此，日本東京工業大學RyojiKanno教授團隊使用高熵材料設計開發了一種具有高Li+電導率的固體Li9.54[Si1-δMδ]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6(LSiMδPSBrO,M=Ge,Sn，同時保留了目標LGPS型LSiPSCl晶體結構。單相LSiGePSBrO（M=Ge，δ=0.4）的體積電導率在25°C時為32mScm-1，大約是原始LGPS的三倍，是迄今為止報道的Li+導體中電導率最高的。理論計算和結構分析表明，即使LSiGePSBrO中的化學取代程度很小，也可以使離子遷移的能壘變平，從而導致該相的Li+離子電導率增強。這些極高的電導率可促進全固態電池中活性材料的有效使用，特別是具有厚正極配置的電池。具有高負載正極（厚度800μm）并采用LSiGePSBrO作為固態電解質的全固態電池在25和-10°C下表現出22.7和17.3mAhcm?2的放電容量，分別對應于97%和73%的活性材料利用率。這項研究強調了高離子電導率對于使用厚正極配置的全固態鋰電池充放電性能的重要性。本文提出的設計規則可以加速人們對于超離子導體的探索。