Science：一种用于毫米厚电池电极的锂超离子导体

一、【导读】

全固态锂电池（ASSLBs）采用固态电池结构，使用锂超离子导体作为电解质，具有改善安全性和提高能量-功率特性的潜力。经过多年的研究，全固态电池已经能够以高电流密度进行放电。尽管研究中使用的阴极只有几十微米厚，但其快速放电性能暗示未来的ASSLBs在高温条件下具有高能量密度和功率密度，而有机液体电解质在这些温度下由于安全问题受到限制。这是因为固体电解质在室温下具有与传统液体电解质相当的高锂离子电导率。虽然已经开发的固体电解质包括Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）和Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3（Li-argyrodites）。然而，固体电解质的刚性特性可能带来一些不利影响，包括固体电解质在电极微观结构中引入的空隙空间，阻碍了Li⁺向活性材料的均匀供应，导致容量损失。特别是在毫米厚电极中，固体电解质的低电导率会导致欧姆降增加，进一步加剧了容量降低的问题。历史上，通过多重取代策略实现了无机离子导体的电导率提高。这种策略在开发一些Li⁺导体时被应用，目标是降低Li⁺迁移的电位障碍。然而，如何实现复杂的阴离子和阳离子组成以及避免目标晶体结构的崩溃仍然是一个挑战。因此，尚未充分发掘利用超离子导电的晶体结构的全部潜力。

二、【成果掠影】

日本东京工业大学创新研究所全固态电池研究中心Ryoji Kanno教授团队利用高熵材料的特性，通过增加已知锂超离子导体的组成复杂性来设计了一种高离子导电的固态电解质，以消除离子迁移的障碍，同时保持超离子导电的结构框架。合成的具有组成复杂性的相显示出改进的离子导电性能。证明了这种高导电固态电解质能够在室温下对厚锂离子电池阴极进行充放电，因此具有改变传统电池配置的潜力。相关成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”为题发表在Science上。

三、【核心创新点】

这项研究通过增加已知锂超离子导体的组成复杂性，设计了一种高离子导电的固态电解质，消除了离子迁移的障碍，为厚型锂离子电池提供了新的解决方案。

四、【数据概览】

图1显示了已报告的LGPS型和argyrodite型电解质的晶体结构指标（t）与组成复杂性度量值（Smix）之间的关系。 © 2023 AAAS

图2展示了LSiPSBrO的结构分析结果。© 2023 AAAS

图3展示了离子导电性。 © 2023 AAAS

图4展示了全固态电池的性能。© 2023 AAAS

五、【成果启示】

总言之，本文设计了一系列具有Li_9.54[Si_1−δM_δ]_1.74P_1.44S_11.1Br_0.3O_0.6（M = Ge，Sn；0 ≤ δ ≦ 1）组成的固体电解质，以实现高配置熵，同时保持其具有超离子导电路径的晶体结构。单相LSiGePSBrO（M = Ge，δ = 0.4）的体内电导率在25°C时为32 mS cm⁻¹。理论计算和结构分析表明，即使在LSiGePSBrO中进行了少量化学取代，也可以降低离子迁移的能垒，从而解释了该相中观察到的电导率增强现象。将LSiGePSBrO作为阳极液体的全固态电池，采用厚型阴极（厚度为800 μm），在25°C和-10°C下分别显示出22.7和17.3 mAh cm⁻²的放电容量，相应地活性物质利用效率分别为97%和73%。这项研究强调了在采用厚型阴极配置的全固态锂电池的充放电性能中高电导率的重要性。本研究提出的设计原则可能加速超离子导体的探索。

原文详情： Yuxiang Li et al. ,A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode.Science381,50-53(2023).DOI:10.1126/science.add7138