一种低成本且具有较高空气稳定性的硫化物固体电解质

北科大范丽珍教授团队AFM：一种低成本且具有较高空气稳定性的硫化物固体电解质

【 章信息】

空气稳定、锂负极兼容的
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09电解质用于硫化物基全固态电池

单位：北京科技大学

【研究背景】

目前锂电池已经广泛的应用在生活中，无论是电动汽车还是储能电站都离不开锂离子电池，然而传统的液态电池存在易燃、易爆的缺陷并且能量密度也达到了瓶颈，全固态电池不仅不存在这些安全问题，还具有超高的能量密度有着巨大的应用潜力。

固体电解质是全固态电池中至关重要的一部分，硫化物固体电解质因其超高的离子电导率（可达到10-3-10-2与目前液态电解质离子电导率相当）受到了广泛的关注。然而传统的硫化物固体电解质存在空气稳定性差、合成成本较高、与锂负极界面稳定性差等问题限制了其商业化应用，因此如何解决这些问题是实现硫化物固体电解质大规模应用的重点难题。

【 章简介】

近日，北京科技大学范丽珍教授团队通过Bi和O元素对Li3PS4硫化物固体电解质进行掺杂改性，成功合成了
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09电解质，该电解质仅需在250℃下热处理3h降低了热处理成本，并且这种电解质在室温下离子电导率高达2.8 x 10?3 S cm?1较未掺杂的电解质提升了将近一个数量级，并且具有良好的空气稳定性。

要点一：电解质物性表征

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X射线光电子能谱(XPS)显示了
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09结构中除了广泛存在的PS43?四面体相，还存在一定的Bi-S键P-O键，另外也观察到了Bi元素的特征峰，这些结果证实了Bi和O掺杂成功地掺杂到Li3PS4的结构框架中，扫描电子显微镜(SEM)图像和相应的EDS图谱显示了P、S、Bi和O元素的均匀分布。

要点二：空气稳定性

要点三：锂金属负极兼容

在该实验中合成的
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09电解质仅需在250℃下热处理3h降低了热处理成本并且离子电导率与目前大部分硫化物固体电解质相当，通过EIS测试了不同掺杂量的硫化物电解质Li3+2xP1-xBixS4-1.5xO1.5x离子电导率(x=0，0.02，0.04，0.06, 0.08)，结果表明x=0.06掺杂下的室温电导率最高，可以达到2.8×10?3 S cm?1，与未掺杂的Li3PS4电解质相比提升了将近一个数量级；通过组装对称的Li/
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09/Li电池，测量了其临界电流密度值，该掺杂电解质的临界电流密度可以达到1.2 mA cm?2。

?在Li3PS4固态电解质中掺杂Bi和O元素后，界面化学发生了调整，有效地调节了Li的电镀/剥离行为，从而提高了抑制枝晶生长的能力。掺杂后的
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09电解质可以在0.1 mA cm?2 的电流密度下稳定循环2000h以上，并且即使在1 mA cm?2的电流密度下还能稳定循环400h以上。最终将掺杂后的
Li3.12P0.94Bi0.06S3.91O0.09电解质应用到全固态电池中也具有较好的循环性能。

要点四：前瞻

【 章链接】

A High Air-Stability and Li-Metal-Compatible Li3+2xP1?xBixS4?1.5xO1.5x Sulfide Electrolyte for All-Solid-State Li–Metal Batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205998