厦大杨勇教授AFM：纳米尺度的界面工程实现高性能全固态锂硫电池

第一作者：钟昊悦

通讯作者：杨勇*

单位：厦门大学

全固态锂硫电池（ASSLSBs）由于其长寿命和高安全性，有望成为下一代高能电池系统。然而，单质硫、导电碳和固体电解质（SSE）之间的界面不稳定导致电荷传输缓慢和机械故障，从而限制了电池的性能。硫化物SSE在导电碳界面的不稳定性已经得到证实，但解决硫阴极中电解质分解的策略尚未研究。因此，深入研究SSE的降解机理，探索有效的改性技术，是设计具有优异电化学性能的ASSLSBs电极材料的关键。

近日，来自厦门大学的杨勇教授课题组，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Nano-Scale Interface Engineering of Sulfur Cathode to Enable High-Performance All-Solid-State Li-S Batteries”的研究文章。该文章报道了利用ALD技术在C/S颗粒表面涂覆纳米级氧化磷锂(以下简称LPO)的表面改性工程，实现ASSLSBs在高面容量和高电流密度下的稳定循环。本文表明合理的正极结构设计具有提高电荷输运能力和消除化学机械失效的协同效应，对提高硫正极材料的性能至关重要。

HRTEM显示LPO@AB/S表面覆盖一层无定型涂层，厚度约为5 nm。C、S和P元素均匀分布，表明LPO已被引入复合材料。TOF-SIMS的二次碎片中观察到源自LPO的PO^3-和LiO-物质。PO3-强度先增加后减小，对应于表面的LPO涂层。这些结果表明样品表面存在LPO涂层，且仅存在于AB/S颗粒表面。

直流极化测试表明，离子传导性的LPO涂层提高复合正极的离子传输能力，LPO@AB/S-LPS复合材料的离子电导率达到4.3×10^-5 S cm^-1。CV曲线显示，LPO@AB/S-LPS电极表现出最高电流强度和最小过电势，表明提高的硫正极反应动力学。不同电极的峰值电流与扫描速率的平方根线性相关，表明电极反应是扩散控制过程。Li⁺扩散能力可以通过氧化还原过程中电流峰值的拟合斜率值来估计。LPO@AB/S-LPS表现出提高的Li⁺扩散速率，表明LPO涂层有助于促进CS颗粒和SSE之间的Li⁺传输。

LPO@AB/S电池在0.2 C和30°C下初始放电比容量1322 mAh g^-1。循环300次后，容量保持率为86.4%。LPO@AB/S正极的充放电电压平台在300次循环过程中保持基本稳定不变，这归因于LPO涂层赋予的稳定界面和平滑的Li⁺迁移通道。LPO@AB/S正极在1000次循环后仍保持645 mAh g^-1的高可逆容量，相当于76.1%的容量保持率。采用LPO@AB/S正极的ASSLSBs在硫负载量为4.5 mg cm^-2下实现了4.6 mAh cm^-2的高面容量。

在60℃下评估ASSSLSBs的高温电化学性能。硫负载量为4.5 mg cm^-2下，LPO@AB/S正极在0.3 C下表现出1177 mAh g^-1放电比容量，对应于5.3 mAh cm^-2面容量。经过100次循环后，LPO@AB/S表现出85.4%容量保持率。在负载量为9.0 mg cm^-2下，LPO@AB/S正极0.1 C下能够达到11.7 mAh cm^-2的高初始放电面容量，且保持稳定循环。

固态电解质的电化学稳定性对ASSLSBs的电化学性能有显着影响。充放电曲线和Raman结果表明LPS电解质的分解反应被抑制，这归因于LPO@AB和LPS之间的电子接触面积减少。XPS和TOF-SIMS结果显示，LPO@AB-LPS正极中生成更少的多硫化物。这些表明LPO界面工程可以抑制SSE的不良反应，增强三相界面的稳定性，从而提高ASSLSBs的电化学性能。

Nano-Scale Interface Engineering of Sulfur Cathode to Enable High-Performance All-Solid-State Li–S Batteries