新型电解质有望实现硫化物基全固态锂离子电池

Josiah02

采用阻燃性无机固体电解质的全固态电池因安全性和输出特性高而被期待成为下一代电动汽车电池。因此，为了将该电池应用于电动汽车，人们正在对具有优异离子导电性和可塑性的硫化物基固体电解质进行大量研究和开发。
然而，硫化物基固体电解质在大气中不稳定；因此，必须在不暴露于空气的情况下合成它们，这需要开发一种适合大规模生产的低成本液相合成方法。
研究团队通过优化溶液法中的热处理工艺，成功合成了具有实用室温离子电导率的硫化物基固体电解质 Li 10 GeP 2 S 12。与球磨合成样品相比，溶液法合成的 Li 10 GeP 2 S 12表现出独特的电化学性能，例如粒径小、晶界电阻高、有机溶剂表面层对 Li-In 负极高度稳定等。该研究成果于 2024 年 9 月 25 日在线发表在ACS Applied Energy Materials上。
该小组一直在积极开展液相合成工艺研究。2023 年 5 月的一项先前研究表明，将过量的硫与 Li 2 S、P 2 S 5和 GeS 2 （Li 10 GeP 2 S 12固体电解质的起始材料）一起添加到乙腈、四氢呋喃和微量乙醇的混合溶剂中，可将总合成时间从大约三天缩短至仅 7.5 小时。
该方法合成的Li 10 GeP 2 S 12固体电解质表现出较高的离子电导率（室温电导率1.6 mS/cm），但溶液合成得到的Li 10 GeP 2 S 12的离子电导率低于球磨合成样品。
首先，改进合成条件，使溶液合成样品具有更高的离子电导率。传统的热处理工艺使用石英舟（SiO 2）。然而，SiO 2舟会导致形成杂质，例如 SiS 2。因此，对各种舟材料进行了研究。
Ti舟室温电导率为5.5mS/cm，而相同条件下球磨合成的样品室温离子电导率为7.9mS/cm，而溶液合成的样品离子电导率较低，原因不明。
因此，通过对比球磨合成与溶液合成的Li 10 GeP 2 S 12的电化学性能（1：离子电导率，2：Li-In 负极稳定性） ，分析了溶液合成样品电化学性能的特点及影响因素。
离子电导率：溶液合成样品的粒径小于球磨合成样品的粒径。此外，在190 K的低温下获得的交流阻抗测量旨在区分体电阻和晶界电阻。该结果表明溶液合成样品的晶界电阻明显高于球磨合成样品。根据结果，得出结论，这就是从总电阻计算出的离子电导率较低的原因。
Li-In 阳极稳定性：通过评估Li-In/Li 10 GeP 2 S 12对称电池的电压变化来研究 Li-In/Li 10 GeP 2 S 12界面的稳定性。尽管溶液合成样品的离子电导率较低，但过电压较低，Li 10 GeP 2 S 12界面稳定性较高。X 射线光电子能谱还表明存在有机溶剂衍生的粒子表面层，这有助于 Li-In 和 Li 10 GeP 2 S 12之间的界面稳定性。
本研究提出了一种硫化物基固体电解质的液相合成方法，该方法展示了实用的室温离子电导率，同时还揭示了与液相方法相关的独特电化学性质和机制。结果突出了粒子表面状态的重要性，这在以前的研究中没有考虑到。本研究重点研究了 Li 10 GeP 2 S 12作为具有高离子电导率的硫化物基固体电解质。
未来的目标是扩展这种方法，合成 Li 10 GeP 2 S 12以外的硫化物基固体电解质，旨在提高离子电导率和阳极稳定性，并分析粒子表面状态，这可以显着提高性能。
研究团队包括丰桥技术科学大学电气电子信息工程系的硕士生岸良太、助理教授引间和弘、教授松田笃典以及文理学院的武藤博之教授；以及大阪都立大学材料科学系的特任副教授（当时）冢崎宏文和教授森茂雄。