超穩(wěn)定界面和超高性能的全固態(tài)電池

（文章來源：孜然學(xué)術(shù)）
全固態(tài)鋰金屬電池（ASSLMBs）由于其高的能量密度和極高的安全性而引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，Li金屬/固態(tài)電解質(zhì)（SSE）界面穩(wěn)定性差是限制電流密度和容量的長期問題，阻礙了ASSLMBs的實際應(yīng)用。

近日，加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授提出了一種氟化硫銀鍺礦型Li6PS5Cl（LPSCl）硫化物固態(tài)電解質(zhì)，以此提高鋰金屬負(fù)極的界面穩(wěn)定性。由于具有自愈合性質(zhì)的原位形成的致密和高度氟化的界面，能夠?qū)崿F(xiàn)鮮有報道的在超高電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)論文以題為“Ultra-Stable AnodeInterface Achieved by Fluorinating Electrolytes for All-Solid-State Li MetalBatteries”于2020年3月5日發(fā)表在ACS Energy Lett.上。

與傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池（LIBs）相比，全固態(tài)鋰金屬電池（ASSLMBs）能量密度高和安全性好，引起了越來越多的關(guān)注。在過去的幾十年里，對于提高SSE的離子電導(dǎo)率已經(jīng)進行了充分的研究，其中硫化物SSE具有很強的離子導(dǎo)電性，被認(rèn)為是高性能ASSLMBs商業(yè)化最有前途的SSE候選材料之一。然而鋰金屬負(fù)極與SSE的界面問題一直困擾著其商業(yè)化進程，著重需要解決以下問題：（1） Li與硫化物之間的高反應(yīng)性；（2） 在硫化物SSE中通過晶界或孔隙形成Li枝晶。

基于之間的研究，用各種化學(xué)物質(zhì)預(yù)處理鋰金屬得到的含F(xiàn)和含I的表面，以此降低界面阻抗和抑制鋰枝晶生長。然而，只能在相對較低的鋰沉積/剝離電流密度和容量下循環(huán)，限制了它們在高倍率ASSLMBs中的應(yīng)用。

LiF是一種被廣泛用作穩(wěn)定SEI層的重要成分，同時與鋰金屬表面處理的策略相比，另一種基于改性SSE的策略對鋰金屬具有更好的保護作用。這是因為循環(huán)過程中電解質(zhì)與鋰金屬原位形成SEI的自愈合特性，然而據(jù)我們所知，很少有報道使用含F(xiàn)的SSE來導(dǎo)出含高濃度LiF的功能性SEI層。本文提出了對硫化物SSEs進行氟化誘導(dǎo)形成含高LiF負(fù)極界面，具體來講以硫銀鍺礦型LPSCl硫化物固態(tài)電解質(zhì)作為主體材料，成功地使用不同含量的LiF取代LiCl，從而制備了含F(xiàn)的氟化LPSCl1-xFx硫化物SSEs（x=0.05、0.3、0.5、0.7、0.8和1）。

進一步使用優(yōu)化后的“LPSCl0.3F0.7”SSE構(gòu)成Li-Li對稱電池，在很少報道的6.37 mA cm-2的高電流密度和5 mAh cm-2的容量下，電池能夠循環(huán)超穩(wěn)定循環(huán)250h，這與使用液態(tài)電解質(zhì)的循環(huán)性能相當(dāng)。Li金屬與LPSCl0.3F0.7SSE之間原位形成的界面具有致密的形貌，同時具有較高的LiF濃度，對實現(xiàn)高性能起著至關(guān)重要的作用。此外，用LPSCl0.3F0.7 SSEs匹配Li金屬組成的全電池同樣擁有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。

總之，通過在循環(huán)過程中固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬原位形成了富含高濃度LiF的功能性SEI層，并且證明了具有較高的致密性。氟化硫化物SSE能夠誘導(dǎo)形成超穩(wěn)定的Li金屬界面，有望為開發(fā)高性能全固態(tài)鋰金屬電池邁出重要的一步。
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