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成果簡介

固體電解質(zhì)（Solid electrolyte, SEs）對于提高全固態(tài)電池（all-solid-state batteries, ASSBs）的安全性、長循環(huán)性和在不同溫度下的可行性至關(guān)重要?；诖?，加拿大西安大略大學孫學良院士和Tsun-Kong Sham（共同通訊作者）等人報道了一個新型的非晶態(tài)固體電解質(zhì)（SEs），xLi₂O-MCly（M=Ta或Hf，0.8?≤?x?≤?2，y=5或4）。xLi₂O-MCly非晶態(tài)SEs在25 °C下可達到6.6×10^?3?S cm^?1的理想離子電導率，是所有已報道的非晶態(tài)SEs中最高的數(shù)值之一，與晶體電解質(zhì)相當。

作者還構(gòu)建了xLi₂O-MCly非晶態(tài)SEs的混合陰離子結(jié)構(gòu)模型，并與離子電導率相關(guān)。此外，作者還發(fā)現(xiàn)xLi₂O-MCly非晶態(tài)SEs中末端氯離子豐富的氧結(jié)合陰離子網(wǎng)絡(luò)對鋰離子的快速傳導起著重要的作用。更重要的是，使用非晶態(tài)SEs的全固態(tài)電池在25 °C和-10 °C下都表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。在電流密度為400 mA g^?1下使用xLi₂O-MCly非晶態(tài)SEs可以實現(xiàn)全固態(tài)電池的長循環(huán)壽命（充/放電次數(shù)超過2400次）)，顯示了氯氧非晶固體電解質(zhì)廣闊的應用前景。

研究背景

全固態(tài)電池（ASSBs）具有安全、可靠和高能量密度等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注。其中，ASSBs的關(guān)鍵組件是固體電解質(zhì)（SEs），可以使用高壓正極和鋰（Li）金屬負極來提高能量密度。良好SEs的基本要求之一是高離子電導率，具有長程有序結(jié)構(gòu)的SEs晶體表現(xiàn)出連續(xù)、快速的鋰離子傳導。雖然晶體SEs的離子傳導機制已經(jīng)被廣泛研究，為尋找新的超離子導體提供指導，但一些非晶態(tài)SEs也表現(xiàn)出良好的潛力，但研究較少。

非晶態(tài)SEs具有柔性、易制造、晶界低、成分變化寬、離子傳導各向同性等主要優(yōu)點，但非晶態(tài)SEs的研究進展緩慢。其中，非晶態(tài)SEs的離子電導率通常低于傳統(tǒng)的晶體SEs，同時缺乏長程周期性，使得難以理解非晶態(tài)材料中的離子傳導機制。對于非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)建模和離子擴散率預測，目前已建立的通用理論非常有限。對比硫化物化合物，氧化物基非晶態(tài)SEs表現(xiàn)出更好的（電）化學穩(wěn)定性，但它們在室溫下的離子電導率為10^-9至10^-6?S cm^-1，與體積型ASSBs的基準相差甚遠。然而，如果非晶態(tài)SEs要與晶體SEs競爭，則需要高導電性和與有利的層狀氧化物正極的良好相容性。

圖文導讀

制備與表征

作者以不同的化學計量比對Li₂O和TaCl₅進行簡單球磨，制備了xLi₂O-TaCl₅非晶態(tài)SEs。當x=1時，圖案一般為非晶態(tài)，含有少量未知雜質(zhì)。當Li₂O/TaCl₅的摩爾比略微增加到1.1時，xLi₂O-TaCl₅?SEs呈現(xiàn)出完全非晶態(tài)的特征。Li₂O含量進一步增加（x≤1.8）并沒有改變xLi₂O-TaCl₅?SEs的非晶態(tài)性質(zhì)。在所制的1.1Li₂O-TaCl₅、1.6Li₂O-TaCl₅和1.8Li₂O-TaCl₅樣品中記錄了類似的模糊暈，表明xLi₂O-TaCl₅?SEs為非晶態(tài)，因此確定xLi₂O-TaCl₅體系的非晶態(tài)形成區(qū)為1.1≤x≤1.8。在所有制備的xLi₂O-HfCl₄中，只有1.5Li₂O-HfCl₄的非晶態(tài)含量相對較高。

圖1. xLi₂O-Mcly（M=Ta或Hf）非晶態(tài)材料的合成與鑒定

當Li₂O的摩爾比從1增加到1.1時，離子電導率從0.41×10^?3增加到5.3×10^?3?S cm^?1。值得注意的是，xLi₂O-TaCl₅（1.1≤x≤1.8）微球保持了類似的高離子電導率，約為6×10^?3?S cm^?1，在所有已報道的SEs中處于最高水平。對于優(yōu)化的1.6Li₂O-TaCl₅組成，離子電導率最高為6.6×10^?3?S cm^?1。在xLi₂O-HfCl₄系列中，大部分處于非晶態(tài)狀的1.5Li₂O-HfCl₄?SE表現(xiàn)出最高的離子電導率（1.97×10^?3?S cm^?1）和低的活化能（0.328 eV）。直流電測量計算的鋰離子電導率與EIS測量值吻合良好，證實了xLi₂O-MCly非晶態(tài)SEs是優(yōu)良的鋰離子導體。

圖2. xLi₂O-TaCl₅和xLi₂O-HfCl₄非晶態(tài)材料的Li離子電導率和Li離子擴散行為

拉曼光譜與固態(tài)核磁表征

拉曼光譜是用在532 nm激光束下操作的HORIBA Scientific LabRAM HR拉曼光譜儀測量的?。將電解質(zhì)粉末附著在碳帶上，并用透明蓋玻片覆蓋以進行測試。⁷Li SSNMR SLR測量在配備有Oxford寬孔徑磁體（B₀?=?9.4?T）。⁷Li Larmor頻率為155.248? MHz。π/2和π脈沖長度分別為2.3和4.5 μs，其中化學位移參考1.0?M LiCl溶液。電解質(zhì)樣品密封在定制的聚四氟乙烯管（??=?4.7?mm）在充氬手套箱中（H₂O?<?0.1 ppm，O₂?< 0.1 ppm）。使用反轉(zhuǎn)恢復NMR實驗測定了不同溫度下的⁷Li自旋晶格弛豫時間（T₁），測試溫度范圍為293-443 K。

圖3. xLi₂O-TaCl₅非晶態(tài)SEs的結(jié)構(gòu)表征及混合陰離子功能

圖4. xLi₂O-TaCl₅非晶態(tài)SEs的局域結(jié)構(gòu)分析

圖5. 1.6Li₂O-TaCl₅或1.5Li₂O-HfCl₄非晶態(tài)SEs的ASSBs的電化學性能

文獻信息

A family of oxychloride amorphous solid electrolytes for long-cycling all-solid-state lithium batteries.?Nat. Commun.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39197-8.

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