孫學良羅俊ACS Energy Letters:揭示硫基全固態鋰離子電池正極的化學和微觀結構演變

孫學良羅俊ACS Energy Letters:揭示硫基全固態鋰離子電池正極的化學和微觀結構演變

【研究背景與進展】

全固態鋰離子電池（SSLIBS）安全性高和理論能量密度高的優點，是應用于電動汽車的一種理想的電池。正極界面的穩定性對于提高SSLIBS的性能至關重要。近日，加拿大西安大略大學孫學良教授與天津理工大學羅俊團隊在ACS Energy Letters發表了一篇題為“Unravelling the Chemistry and Microstructure Evolution of a Cathodic Interface in Sulfide-Based All-Solid-State Li-Ion Batteries”的文章。該文采用原位X射線近邊吸收光譜（XANES）結合透射電鏡（TEM）和電子能量損失譜（EELS）研究了富鎳層狀正極與硫化物固體電解質的界面行為。研究表明，硫化電解質在高壓下處于亞穩態中間狀態，在充放電過程中與正極發生寄生反應，導致富鎳正極表面結構的重構。

【圖文簡介】

圖1 空白和包覆LNO的NMC811復合材料的物理特性

原始NMC811的（a，b）掃描電鏡圖像。包覆LNO的NMC811的（c）掃描電鏡圖像；（d）高分辨透射電鏡圖像；（e，f）能譜Nb元素分布圖。

圖2 采用空白和包覆NMC811作為正極的固態電池的電化學表征

（a，b）充電/放電曲線。（c）循環性能。（d，e）電池在不同休息時間和充電/放電試驗后的EIS曲線。

圖3 采用空白和包覆LNO的NMC811正極的固態電池在循環過程中的原位XANES研究

（a）電池示意圖，獲得了大光子能量區的Bruker譜。（b-d）NMC811-LGPS和（e-g）LNO NMC811-LGPS SSLIBS的operando一階導數映射的S K邊吸收譜、Ni K邊吸收譜和的充放電曲線。

圖4 原始正極和包覆LNO正極過渡金屬的operando XANES譜

（a，c）原始NMC的Mn和Co K邊吸收譜；（b，d）LNO-NMC811的Mn和Co k邊吸收譜。

圖5 NMC811正極在SSLIBS中循環后的微觀結構演變

（a，b）原始NMC811正極顆粒（a）紅色區域的橫截面FIB-SEM圖像和（c，d）對應的S（黃色）和Ni（青色）元素分布圖。（e，f）包覆LNO的NMC811正極粒子（e）紅色區域的橫截面FIB-SEM圖像和（g，h）對應的S（黃色）和Ni（青色）元素分布圖。圖中的比例尺為（a，e）2μm和（b-d，f-h）1μm。

圖6利用STEM-HAADF圖像和相應的EELS譜確定了NMC811正極在SSLIB中循環后的微觀結構演變

（a）NMC811正極的原子級STEM-HAADF圖像。（b，c）STEM-HAADF圖像和從這些區域獲得的相應EELS譜。圖中比例尺為（a，b）5nm

【小結】

研究者通過原位X射線近邊吸收譜（operando XANES）和電子顯微鏡表征技術研究了層狀NMC81正極與SSLIBS中LGPS硫化物界面的化學和微觀結構演變。研究結果拓展了對無機SSLIBS界面機理的理解，展示了operando表征研究在探索高活性中間態和揭示能源材料復雜反應機理方面的潛力。

文獻鏈接：Unravelling the Chemistry and Microstructure Evolution of a Cathodic Interface in Sulfide-Based All-Solid-State Li-Ion Batteries，2019, ACS Energy Letters, DOI:10.1021/acsenergylett.9b01676.

【作者簡介】

第一作者-李夏博士：孫學良院士課題組Mitacs Elevate 博士后。2009年和2012年分別于大連理工大學和南開大學取得工學學士和碩士學位。2017年在加拿大西安大略大學獲得機械與材料工程專業博士學位。目前研究方向包括：全固態鋰電池、鋰硫電池、鋰離子電池和同步輻射技術等多個領域。迄今為止共發表學術論文40余篇 （包括第一作者/共同一作15篇），第一作者論文包括Nature Communications. Nano Letters, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Energy Letters, Small Methods等。論文被引用次數1500+次，h-index 22。

第一作者-任洲宏：羅俊教授課題組研究生。2016年于南京信息工程大學取得理學學士學位。目前研究方向為電子顯微學及催化和儲能研究。

第一作者-Mohammad Norouzi Banis is research engineer in Prof. Xueliang (Andy) Sun's group at Western University, Canada. He received his Ph.D. degree in 2013in Materials Science and Engineering from Western University, on the study of nanostructured low temperature fuel cells and application of x-ray absorption spectroscopy in energy related systems. His current research interests include study of metal ion, metal air and nanocatalysts via in-situ synchrotron based techniques.

通訊作者-孫學良教授：加拿大西安大略大學材料工程學院教授，加拿大皇家學科學院院士、加拿大工程院院士、加拿大納米能源材料領域國家首席科學家、國際能源科學院的常任副主席。2018年成為第一位獲得加拿大“材料化學杰出研究獎”的華人科學家。孫教授目前重點從事固態鋰離子電池和燃料電池的研究和應用。迄今已發表超過400篇SCI論文（包括Nat. Energy, Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Acc. Chem. Res., Adv. Mater.）。他引次數23000+次，h-index 78。

通訊作者-羅俊教授：天津理工大學材料學院、新能源材料與低碳技術研究院、電鏡中心教授，研究院副院長、電鏡中心主任。2011年入選第一批國家青年千人計劃，2019年獲批天津市杰出青年科學基金。長期從事納米材料及器件與電子顯微學方面的科研。已在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等國際著名學術期刊上以第一/通訊作者身份發表論文54篇及1個專著章節。