100%利用率，全固態鋰硫電池最新Science！

一、【科學背景】

與現有的鋰離子電池相比，全固態鋰硫電池（ASSLSBs）具有顯著提高的能量密度、安全性和成本效益和低供應鏈風險而備受關注。盡管固態電解質（SSEs）的室溫離子電導率已取得進展，但電池性能仍受限于電極-SSE界面的電荷傳輸和化學機械穩定性。硫的電子和離子導電性差、體積膨脹大（約80%），導致循環后固-固界面的化學機械失效。目前改善ASSLSB電池性能的策略包括納米結構主體、催化劑、添加劑、摻雜、原子層沉積涂層和新的SSE。盡管已經取得了進步，但這些方法仍然存在界面離子傳輸緩慢的問題，導致硫利用率低（≤80%）和循環壽命不足。

二、【創新成果】

基于以上難題，美國阿貢國家實驗室徐桂良研究員、Khalil Amine教授等人在Science上發表了題為“Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries”的論文，報道了在各種含鹵素的固態電解質和高能量硫族化合物正極材料之間，通過超高轉速（UHS）混合過程中的機械化學反應實現的界面處鹵化物的普遍分離現象。具體的，受混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池中光誘導相分離的啟發，研究人員觀察到在一系列含鹵素的SSEs和高能量硫族（S、Se、SeS₂、Te）正極材料之間，通過2000 rpm的超高轉速混合實現了普遍的鹵化物分離。UHS混合產生的熱沖擊和剪切破碎的協同效應，使得在混合過程中能夠誘導機械化學反應，從而實現從含鹵素的SSEs中分離鹵化物，并在正極顆粒上均勻沉積。這種結構增強了電荷傳輸動力學，提高了界面穩定性，并減輕了固態電池的機械故障。使用低溫透射電子顯微鏡和同步輻射X射線衍射和光譜技術證實了鹵化物偏析的形成和有效性。制備的各種ASSLSBs在商業水平的面積容量下表現出接近100%的硫利用率和非凡的循環穩定性。

三、【圖文解析】

圖1? 各種復合S/LPSCl/C正極的結構分析 ? 2025 AAAS

圖2? 通用鹵化物偏析的冷凍TEM驗證 ? 2025 AAAS

圖3? ASSLSBs的電化學性能 ? 2025 AAAS

圖4? UHS混合復合硫正極的循環后分析 ? 2025 AAAS

四、【科學啟迪】

綜上，本研究通過超高速混合實現的鹵化物分離是一種有效的界面工程策略，能夠顯著提升ASSLSBs的性能。鹵化物分離形成的界面層不僅增強了離子傳輸，還抑制了正極材料的體積變化和副反應，從而實現了接近100%的硫利用率和長循環穩定性（在2 mg cm?2的硫負載量下，經過450個循環后，比容量保持率為93.2%；在4 mg cm?2的硫負載量和1.4 mA cm?2的電流密度下，初始放電比容量為6.35 mA·h cm?2，450個循環后容量保持率為80%）。這種策略不僅適用于硫正極，還可以擴展到其他硫族元素正極材料，具有廣泛的適用性。該研究為全固態電池的界面設計提供了新的思路，未來可以進一步優化陽極界面設計和固態電解質工程，以開發出更高能量密度和更長壽命的ASSLSBs。

原文詳情：Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries (Science 2025, 388, 724-729, DOI: 10.1126/science.adt1882)

本文由大兵哥供稿。