Ying (Ian) Chen教授团队，ACS NANO 研究：硫化物阳极氧化法原位合成Li3PS4固体电解质薄膜用于全固态锂硫电池

第一作者：Daoguang Bi

通讯作者：Ye Fan*, Ying (Ian) Chen*

单位：澳大利亚迪肯大学

全固态锂硫电池（ASSLSBs）因其高能量密度和环境友好性而备受关注。然而，锂枝晶的形成以及固态电解质（SSEs）与锂金属负极的界面不稳定是限制其实际应用的关键挑战。本研究旨在开发一种硫化物阳极氧化策略，通过原位合成稳定的硫代磷酸锂（Li3PS4）固体电解质薄膜，在锂金属表面构建稳定且高离子导电的界面，以解决上述问题，进而提升ASSLSBs的性能。

近日，来自澳大利亚迪肯大学的Ying (Ian) Chen教授团队，在国际知名期刊ACS NANO上发表题为“In Situ Synthesis of Li3PS4 Solid Electrolyte Films via Sulfur-Rich Anodization for All-Solid-State Lithium−Sulfur Batteries”的研究文章。该文章首次采用硫化物阳极氧化法在锂金属表面原位合成了具有高离子电导的Li3PS4固体电解质薄膜。使用阳极氧化法制备的Li3PS4固态电解质薄膜不仅厚度可控，而且相较于传统冷压法制备的硫化物电解质结构更为致密，孔隙/裂纹等缺陷更少。 该固态电解质薄膜既能用在液态电池中用于稳定的固态电解质界面层 (SEI)，也能用于全固态电池的电解质，为发展超薄全固态锂硫电池提供了指引。

原位合成的Li3PS4薄膜表现出0.19 mS cm⁻¹的高离子电导率。其厚度可控，薄膜结构致密，孔隙和裂纹较少，且能与锂金属形成稳固的界面接触，有效抑制了锂枝晶生长和电池循环过程中的副反应。

采用Li3PS4薄膜用于液态对称电池的SEI, 所组装的液体对称电池在1 mA cm-2的电流密度下，实现了超过600小时的稳定循环，过电位低至约15 mV。

组装的全固态对称电池（两片Li3PS4/Li电极作为电极和固态电解质）在1 mA cm-2下表现出超过1000小时的超长稳定循环寿命，其临界电流密度（CCD）显著提高至4 mA cm-2。Li⁺传导的活化能低至0.156 eV，表明Li⁺迁移能垒较低。

以Li3PS4中间相作为固态电解质和Li金属作为负极的全固态锂硫电池，在0.1 C的倍率下，实现了1351 mAh g-1的高比容量，50次循环后容量保持率高达89.3%，库仑效率接近100%，证明了该固态电解质薄膜能抑制锂枝晶的形成。

本研究成功引入了一种基于硫化物的阳极氧化策略，实现了Li3PS4固态电解质薄膜在锂金属表面的原位生长，为开发下一代超薄全固态锂硫电池提供了一种简单且高效的界面工程方法。这种原位合成的Li3PS4薄膜不仅具备高离子电导率和优异的电化学稳定性，还能有效抑制锂枝晶形成，显著提升了对称电池和ASSLSBs的循环性能和安全性，为高性能锂硫电池技术的发展奠定了基础。

In Situ Synthesis of Li3PS4 Solid Electrolyte Films via Sulfur-Rich Anodization for All-Solid-State Lithium−Sulfur Batteries

Ying Ian Chen， 澳大利亚迪肯大学Alfred Deakin终身讲席教授，前沿材料研究院纳米科技首席教授。澳大利亚新安全可靠的能源存储和转换技术研究中心主任 (Director, Australian Research Council’s Research Hub in New Safe and Reliable Energy Storage and Conversion Technologies)。 1986毕业于清华大学工程物理系﹐1992 年获得法国巴黎南大学化学博士。1993-2008 在澳大利亚国立大学 (ANU) 物理研究院从事纳米材料研究。 陈教授在国际一流刊物上发表期刊论文400余篇（其中200 篇发表在Nature子刊, Adv Mater., JACS, Nano Lett. 等 影响因子10 以上期刊)﹐获授权专利8项，出版科学专著10部。学术论文引4万余次， H因子 (h-index) 96。

https://orcid.org/0000-0002-7322-2224.

范烨，迪肯大学前沿材料研究院研究员，博士生导师。主要从事金属电池，器件的技术研发和产业化研究。主导开发了氮化硼对于锂硫电池的应用项目，及在此基础上衍生的用于锂硫电池的液态正极，同时进一步开发了用于锂离子/锂硫固态电解质电池的半固态锂负极，及衍生的锌、镁等金属负极。作为核心团队成员参与了多项锂硫电池研发和产业化的工业项目。在国际知名期刊Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano，Nano Energy, Energy Storage Materials等上发表多篇科技论文20多篇（其中以第一作者身份发表影响因子20以上的3篇）。以发明人身份授权国际发明专利1项。

毕道广，硕士毕业于广东工业大学，现为澳大利亚迪肯大学博士生，其博士课题研究方向为固态电解质材料及其在锂金属电池的应用。

https://orcid.org/0000-0002-7322-2224.

Post-doctoral researcher in solid-state batteries