崔光磊研究员、Arno P.M. Kentgens教授，NC：自组织异质纳米畴驱动玻璃陶瓷电解质中超离子传输- 大数跨境

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崔光磊研究员、Arno P.M. Kentgens教授，NC：自组织异质纳米畴驱动玻璃陶瓷电解质中超离子传输

科学材料站

2023-02-15

导读：本文提出了一种自组织异质纳米晶化的策略

文章信息

自组织异质纳米畴驱动玻璃陶瓷电解质中超离子传输

第一作者：王延涛、曲洪涛、刘博文、李小菊

通讯作者：鞠江伟，Arno P.M. Kentgens，崔光磊

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，荷兰奈梅亨拉德堡德大学

研究背景

Li₂S-P₂S₅型玻璃陶瓷电解质因其组成简单，制备条件温和，非常适于规模化制备。但是较低的离子电导率却影响了其商业化进程。虽然通过元素掺杂方式（P位掺杂Ce⁴⁺,Sn⁴⁺,Sb⁵⁺；S位掺杂O^2-，Cl^-）可以在一定程度上提高其离子电导率，但是多元素的引入首先带来了制备纯相电解质的困难，其次易变价掺杂元素使得电解质与负极兼容性变差。

文章简介

基于此，中科院青岛能源所崔光磊研究员与荷兰奈梅亨拉德堡德大学Arno P.M. Kentgens教授合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Self-organized hetero-nanodomains actuating super Li⁺ conduction in glass ceramics”的研究论文。

基于纳米离子学中纳米晶界可以促进载流子输运的事实。本工作提出了一种自组织异质纳米晶化的策略：在电解质的制备过程中，人为的引入成核助剂来诱导玻璃陶瓷电解质发生次序化结晶和异质生长，来产生大量的异质纳米畴，从而将丰富的纳米晶界引入到电解质中。由于畴内遍布大量的晶界，锂离子可在沿晶界方向上快速输运，从而极大提高了材料的室温离子电导率，到达13.2 mS cm⁻¹，为批量化制备高电导率的硫化物电解质提供了可行的解决方案。

本文要点

要点一：次序化结晶与异质生长模型

采用Al₂S₃作为成核助剂，诱导硫化物电解质在玻璃相中爆发式成核，在此基础上改变了原料中的P/S比，从而抑制了晶体的长大以及诱导第二相的生成。由于晶体具有异质成核生长的倾向，第二相会在第一相上成核并长大，从而在成核助剂的作用下自组织为异质纳米畴。

图1. 次序化结晶与异质生长模型。（a）无成核助剂调节下的玻璃陶瓷电解质生成过程。（b）无成核助剂调节下的玻璃陶瓷电解质生成过程。（c）纳米异质畴结构示意图

图2 Al₂S₃调谐的玻璃陶瓷电解质物相分析及微结构表征

要点二：超离子传导

对含有丰富纳米畴结构的LPS7228电解质进行电导率测试，发现其室温离子电导率可以达到13.2 mS cm^-1。作者将其电导率的升高归因为锂离子沿晶界方向的快速离子输运行为。首先纳米晶界的形成会使载流子在晶界上发生再分布（图3b）,使得沿晶界方向载流子浓度升高，这一现象随后被电子全息术所验证（图3c）。其次，图3f所示的DFT计算验证了锂离子沿晶界传输具有更低的传输势垒。由于畴内遍布大量的晶界，锂离子可在沿晶界方向上快速输运，从而极大提高了材料的室温离子电导率。

图3 （a）Al₂S₃调谐的玻璃陶瓷电解质的离子电导率（b）纳米异质畴中载流子再分布示意图（c-e）LPS7228进行电子全息观测（f）离子迁移势垒计算

要点三：全固态锂电池示范

对比常见的Li₆PS₅Cl电解质，LPS7228具有非常好的锂负极兼容性。通过将LPS7228与PTFE粘合剂混合，制备出厚度为110μm的自支撑硫化物薄膜，其室温电导率可达为10.3 mS cm⁻¹。利用面容量为8mAh cm^-2,厚度220um的厚NCM622电极，组装了NCM622|LPS7228 film|Si全固态电池，该电池的能量密度可以达到420 Wh/kg。在0.1 C的充放电倍率下，获得了171 mAh g⁻¹ 的初始放电容量，对应面容量为7.62 mAh cm⁻²。当把倍率增加到0.2 C时，该电池依然稳定循环了50次，平均库伦效率为98.1%。

图4 LPS7228电解质在全固态锂电池中的应用

文章链接

Self-organized hetero-nanodomains actuating super Li⁺ conduction in glass ceramics

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35982-7

通讯作者简介

鞠江伟博士简介：2011年本科毕业于四川大学材料学院，2016年于中国科学技术大学获得博士学位，同年进入中国科学院青岛生物能源与过程研究所固态能源系统技术中心崔光磊教授课题组从事博士后研究，期间专注于固态电池和固态电解质的研究开发，以第一或通讯作者身份在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.等学术刊物上发表研究论文多篇。

Arno Kentgens 教授简介：1987年博士毕业于荷兰内梅亨大学（现Radboud University），在1988-2000年间，主管荷兰国家高场固体核磁仪器。自2000年起，以全职教授身份加入内梅亨大学并成立固体核磁研究课题组。Arno Kentgens 教授长期从事固体核磁硬件及方法学研究，并将固体核磁方法应用于材料科学，药物研发，聚合物分析，太阳电池以及能量储存等领域。相关论文发表于J. Magn. Reson. Solid State Nucl. Magn. Reson. Anal. Chem., J. Phys. Chem., J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. Lett., Nature。至今文章被引用 11517次，H因子57。

崔光磊研究员简介：崔光磊，研究员，博士生导师。国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位。2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年至今，任职于中国科学院青岛生物能源与过程研究所。在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science等发表文章260多篇，他引超20000次。

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