采用无机固体电解质（SE）的全固态锂电池（ASSB）具有更高的安全性，是下一代储能的令人兴奋的候选者。其中，具有宽电化学稳定窗口的高导电SE是实现高性能ASSBs的关键组成部分。在不同类型的SE中，硫代磷酸盐（硫化物）由于通常具有高离子电导率（>10 mS cm-1）和延展性而在过去十年中引起了极大的研究兴趣。然而，硫化物在低电位下易被氧化（~ 2.5 V），导致其与典型的4 V正极活性材料（CAM）不相容。因此，找到具有高离子电导率和高电压稳定性及良好延展性的SE材料至关重要。
据报道，结晶性差的Li3YCl6表现出相对良好的离子电导率（0.51 mS cm-1），且可与未涂层的LiCoO2实现ASSB的稳定循环。因此，氯化物SE因其固有的高氧化稳定性（~4.3 V）和许多CAM的表观化学稳定性而受到广泛关注。ASSB 的另一个主要挑战是为了提高能量密度，必须开发高负载正极（即面积容量>3 mAh cm-2）。然而，随着CAM负载的增加，其内部离子/电子传导渗透显著下降，导致CAM利用率低。因此，需要同时具备复合正极与高导电性SE。
成果简介
在此，加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar教授等人报道了一系列快速锂离子导电氯化物Li2InxSc0.666-xCl4 (0 < x < 0.666)，由于锂离子分布高度无序，其表现出高离子电导率（2.0 mS cm-1）及低电子电导率（4.7×10-10 S cm-1），这些有助于实现高性能ASSB。由于该SE对未涂层高压正极材料的优异界面稳定性，与最先进的ASSB相比，利用LiCoO2（LCO）或LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2（NCM85）组装的ASSB在4.8 V的高压下表现出更优异的倍率性能和长期循环。
特别是，基于NCM85的ASSB 具有超过3000次循环的长寿命，室温下容量保持率为80%。此外，负载量高达52.5 mg cm-2 (7 mAh cm-2 ) 的LCO ASSB在室温和高温（50 °C）下表现出非常稳定的长期循环和高比容量，具有21.6 mg cm-2高负载的NCM85 ASSB也显示出>4 mAh cm-2的容量（>190 mAh g-1）。这些超稳定、高电压和高负载的固态电池为 ASSB 的设计和开发提供了宝贵的见解，并提供了重要参考。相关成果以“High areal capacity, long cycle life 4 V ceramic all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes”发表在国际顶级期刊Nature Energy（IF=60.858）上。
图文详情
一、氯化物SE的合成和表征
图1. Li2InxSc0.666-xCl4的XRD图谱和锂离子电导率
图2. Li2In1/3Sc1/3Cl4的结构和建议的锂离子扩散途径二、典型电池负载为1.25 mAh cm-2的ASSB
Linda F. Nazar（琳达·纳萨尔），加拿大滑铁卢大学化学系、化学工程系教授，是世界电池领域的杰出女性科学家。自2004年以来一直是加拿大固体材料一级研究主席（Tier 1 Canada Research Chair），专注于开发储能与转换新材料的研究。曾荣获国际电化学会电池部研究奖（2009）、加州理工摩尔杰出学者奖（2010）、国际纯粹化学会化学工程杰出女性科学家奖（2011）、加拿大勋章（2015）、CIC奖章（2019）、美国材料学会奖章（2020，与崔屹教授共同获奖），连续多年入选全球高被引学者。Nazar教授的研究重点包括复杂材料的合成、物理和结构表征、电化学测试以及各种储能设备的电极设计，特别是有前景的纳米材料的研究。曾在Science、Nature Energy、Nature Materials、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等国际顶级期刊发表文章近300篇，引用达62000余次，个人h指数116（Google Scholar）。课题组主页：http://www.science.uwaterloo.ca/~lfnazar/index.html
文献信息
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
