美国能源部橡树岭国家实验室杨光博士课题组,ESM:在高压 NMC811硫化物固态电池正极中，硫化物阴极电解质性能远超卤化物材料

硫化物基固态电池（SSBs）因其高能量密度和安全性备受关注。为了提升能量密度，研究者采用片状薄膜硫化物电解质和高电压NMC811正极材料。本研究系统比较了多种阴极电解质（catholyte）对SSB循环性能的影响，包括硫化物（LPSCl、LGPS）与卤化物（LIC、LYC）及其混合物。结果发现，虽然LGPS具更高离子导电率，但其实际容量低于LPSCl；而含LIC的电池表现出明显的电化学劣化。相比之下，LPSCl作为阴极电解质在片状结构中展现出优异性能，说明其化学组成对界面稳定性和电池动力学起关键作用。本研究强调在实际片状SSB结构中，选择合适的catholyte对于实现优良循环寿命至关重要。

近日，来自美国能源部橡树岭国家实验室杨光博士课题组，联合斯坦福大学，以及田纳西大学在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Promising Performance of Sulfide Catholytes Compared to Halide Alternatives in NMC811 Cathodes for Sheet-type Sulfide Solid-State Batteries”的研究文章。该文章分析了不同硫化物与卤化物阴极电解质在超薄硫化物固态电池中的适配性，指出LPSCl在与NMC811正极配合时展现出最佳循环性能。

在本研究中，研究团队对比了五种阴极电解质（LPSCl、LGPS、LIC、LIC-LPSCl、LYC-LPSCl）在与片状硫化物电解质搭配使用时的电化学表现。结果显示，LPSCl组在初始容量（133.5 mAh/g）和50次循环后容量保持率（80.4%）方面表现最优。相比之下，含有卤化物的LIC和LIC-LPSCl体系初始容量较低，循环稳定性更差。这说明在实际使用中，LPSCl不仅具备良好的离子导电性，也具备与NMC811正极良好的界面稳定性，从而减少副反应发生，是当前硫化物固态电池中最具实际应用潜力的阴极电解质之一。

研究发现，不同阴极电解质在与NMC811正极作用下形成的界面化学层（CEI）化学组成差异显著，从而影响了循环稳定性。LPSCl在循环后形成的CEI较为稳定，而LIC则在循环中于NMC表面诱导In₂O₃等副产物生成，该氧化铟具有高导电性，会加剧界面副反应，破坏结构完整性。此外，Raman和ToF-SIMS进一步揭示，LIC与LPSCl之间存在严重交叉扩散现象，导致界面成分复杂化。相比之下，LGPS虽然有中等程度的分解，但形成的Li₂S等产物相对稳定，说明优化CEI的化学稳定性是提升阴极性能的关键策略之一。

通过原位阻抗电镜 (in-situ EIS) 与分布松弛时间（DRT）分析，研究揭示阴极电解质对锂离子传输和界面动力学具有决定性影响。尽管LGPS具备较高的固态离子导电率，但其在复合阴极中展现出明显的电荷转移阻抗（P4），说明其与NMC界面间反应副产物限制了电子与离子传输，降低容量释放。LIC则表现出更高的化学界面阻抗，表明其与LPSCl和NMC间存在严重的不相容性。而LPSCl阴极不仅具有低阻抗特性，dQ/dV曲线中也表现出更平稳的电位变化，表明其具备更优的界面动力学。GITT分析进一步指出，虽然LGPS扩散系数较高，但其CEI的电子阻塞作用限制其高容量输出，反映出动力学与化学稳定性的平衡至关重要。

杨光博士，现任美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 化学科学部及田纳西大学布雷德森跨学科中心研究员。 长期从事下一代电池及可持续能源转换技术所需的材料、器件和先进界面表征工具的研发。其研究领域涵盖高能量密度全固态电池、电网级氧化还原液流电池、硫电池以及电化学 CO₂ 转化技术等。迄今为止，杨博士已在 Adv. Mater., Nat. Commun., Joule, ACS Ener Lett., Matter, Chem等发国际期刊发表 100 余篇同行评议论文（H-index = 34），撰写 2 部专著章节，并申请/公开 8 项专利与发明披露。作为主要项目负责人，他主持 5 项美国能源部（DOE）资助课题，以及2项企业合作项目，累计经费超过 1000 万美元。杨博士曾获得 ARPA-E Early Career Award、英国皇家化学会 (RSC) Emerging Investigator Award 以及 UT-Battelle Outstanding Scholarly Output Award 等多项重要荣誉。