日本研究人员合成新型电解质 有望实现硫化物基全固态锂离子电池

盖世汽车讯 采用阻燃无机固体电解质的全固态电池具有较高的安全性和输出特性，被视为下一代电动汽车电池。因此，人们大量研发硫化物基固体电解质，这些电解质具有卓越的离子导电性和可塑性，以将这些电池应用于电动汽车。然而，硫化物基固体电解质在大气中不稳定，必须在不暴露于空气中的情况下进行合成。因此，这需要开发适合于大规模生产的低成本液相合成方法。

（图片来源：丰桥技术科学大学）

据外媒报道，丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）和大阪公立大学（Osaka Metropolitan University）研究团队通过优化溶液法热处理工艺，成功合成具有实用室温离子导电性的硫化物基固体电解质Li10GeP2S12。与球磨机合成样品相比，该Li10GeP2S12合成溶液法表现出独特的电化学性能，例如颗粒尺寸小、具有高晶界电阻，以及有机溶剂表面层对Li-In阳极高度稳定。这项研究结果发表在期刊《ACS Applied Energy Materials》上。

该团队一直在积极开展液相合成工艺研究。先前研究（2023年5月）表明，在乙腈、四氢呋喃和微量乙醇的混合溶剂中加入过量的硫与Li2S、P2S5和GeS2（Li10GeP2S12固体电解质的起始材料），可将总合成时间从大约三天缩短至仅7.5小时。通过这种方法合成的Li10GeP2S12固体电解质具有较高的离子电导率（室温电导率为1.6 mS/cm）。然而，溶液合成Li10GeP2S12的离子电导率低于球磨机合成样品。

在这项研究中，首先，研究人员通过改进合成条件，在溶液合成样品中可以获得更高的离子电导率。传统的热处理工艺使用石英舟（SiO2），但这会导致形成杂质（如SiS2）。因此，研究人员对各种舟材料进行了检验。使用Ti舟时溶液合成样品的室温电导率为5.5 mS/cm，这是迄今为止利用液相方法获得的最高值。但是，在相同条件下，球磨机合成样品在室温下的离子电导率为7.9 mS/cm；而溶液合成样品离子电导率较低的原因不明了。

因此，研究人员对比球磨机合成和溶液合成Li10GeP2S12的电化学性能（1：离子电导率，2：Li-In阳极稳定性），以分析溶液合成样品的电化学性能特点和影响因素。

1. 离子电导率：溶液合成样品的粒径比球磨机合成样品小。此外，在190 K低温下获得的交流阻抗测量结果旨在区分体电阻和晶界电阻。结果表明，溶液合成样品的晶界电阻明显高于球磨机合成样品。由此可以得出结论，这就是从总电阻计算出的离子电导率变低的原因。

2. Li-In阳极稳定性：通过评估Li-In/Li10GeP2S12对称电芯的电压变化来研究Li-In/Li10GeP2S12界面的稳定性。尽管离子电导率较低，但溶液合成样品具有较低的过电压，并且Li10GeP2S12界面稳定性较高。X射线光电子能谱还表明，有机溶剂衍生颗粒表面层的存在有助于实现Li-In和Li10GeP2S12之间的界面稳定性。

该研究提出硫化物基固体电解质的液相合成方法，该方法表现出实用的室温离子电导率，同时揭示与液相方法相关的独特电化学性质和机制。这些结果突显颗粒表面状态的重要性，这是以往研究未考虑到的。该研究重点关注将Li10GeP2S12作为具有高离子电导率的硫化物基固体电解质。

未来的目标是将该方法扩展到合成Li10GeP2S12以外的硫化物基固体电解质，旨在获得更高的离子电导率并提升阳极稳定性；以及分析颗粒表面状态，以明显提高性能。