王岩教授、祝红丽教授，ESM：基于LiOH表面稳定NMC811一步涂覆法- 大数跨境

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王岩教授、祝红丽教授，ESM：基于LiOH表面稳定NMC811一步涂覆法

科学材料站

2021-07-02

导读：该文章报道了一种基于在NMC 811前驱体烧结过程中添加过量LiOH，同步实现正极材料的合成以及界面保护层的形成的界面稳定策略

文章信息

基于LiOH以稳定NMC811/硫化物固态电解质界面的高效策略

第一作者：张宇彬，孙潇

通讯作者：王岩*，祝红丽*

单位：伍斯特理工学院，美国东北大学

研究背景

全固态锂离子电池被认为是解决锂离子电池安全问题的有效途径，吸引了大量学术界、工业界以及社会的广泛关注。高镍三元正极材料（eg. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, NMC 811）兼有高比容量及高工作电压，被认为是最有前景的电动汽车电池材料之一。

另外，硫化物固态电解质也备受关注，其高离子导电性及可变形性使其在全固态锂离子电池中的应用极具优势。

然而，根据相关报道，由于硫化物固态电解质同NMC正极材料间界面的不稳定性，在全固态电池中的应用仍然存在着低可逆容量，低循环性能的问题。因此，寻找一种高效可行的界面稳定策略是研究并开发高性能全固态锂离子电池重要方向。

文章简介

基于此，来自伍斯特理工学院的王岩教授联合美国东北大学的祝红丽教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Self-Stabilized LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 in Thiophosphate-based All-Solid-State Batteries through Extra LiOH”的文章。

该文章报道了一种基于在NMC 811前驱体烧结过程中添加过量LiOH，同步实现正极材料的合成以及界面保护层的形成的界面稳定策略，进而实现NMC 811/Li6PS5Cl/Li-In全固态电池的稳定循环，并兼具简便易行以及低成本的优势。

图 1. (a) LiOH涂覆的NMC 811工艺示意图；(b) 全固态电池的结构示意图；(c) NMC/Li6PS5Cl界面无涂层示意图；(d) NMC/Li6PS5Cl界面涂层不足时副反应示意图；(e) 具有优化涂层的NMC/Li6PS5Cl界面示意图；(f) 带有多余涂层的NMC/Li6PS5Cl界面示意图。

本文要点

要点一：该界面稳定策略的优势

涂层是用于NMC/硫化物固态电解质界面稳定最常见和最有效的方法之一，它不仅可以避免高反应性Ni4+和Li6PS5Cl电解质之间发生副反应，使其中Li6PS5Cl被氧化成弱离子和电子导电性产物，如多硫化锂和硫，也可作为正极材料的物理屏障，以最大限度地减少相变并提高结构稳定性。

相较于传统的原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、湿化学方法或干混合方法，该策略极大的提高的合成工序的经济性，并降低了复杂性，同时该方法也使得大规模生产成为可能。

要点二：全固态电池性能

通过对不同厚度涂层下全固态电池电化学性能的对比研究，发现10nm LiOH涂层能够最好地稳定正极和Li6PS5Cl电解质之间的界面，从而提高NMC 811材料的循环性能，从而产生出色的库仑效率（>99%）、优异的循环性能（~130 mAh g–1,600次循环）和令人满意的倍率性能（1C时为119.4 mAh g-1）。

图 2. 不同反应时间下的前驱体NMC 811SEM图：（a）3-6小时；（b）9-12小时；（c）15-18小时；（d）21-24小时；（e）27-30小时；（f）21-24小时前驱体NMC 811颗粒放大的表面形貌。

图3.不同额外LiOH量下烧结的NMC 811前驱体正极SEM图：(a) 21-24小时的前驱体；含有（b）5%；（c）7.5%; (d) 10%; (e) 12.5%; (f) 15%; (g) 含有额外10% LiOH-NMC 811; (h) Ni和O元素的EDS映射图；（i）额外5-15%LiOH-NMC811的XRD图。

图4. 10% LiOH-NMC 811颗粒的截面图和对比初始NMC811的XPS图谱；（a）10% LiOH-NMC 811 的HAADF-STEM的截面图；（b）and (c) 不同尺度下的HAADF图片；（d-i）初始和10% LiOH-NMC 811的XPS 图谱：（d）C1s, (e) Li1s; (f) O1s; (g) Ni2p3 和（i）Co2p3。

图5. 无涂覆的NMC 811和LiOH涂覆的NMC 811正极的全固态电池的电化学性能。(a) x% LiOH-NMC 811电极在0.126 mA cm-2 (0.1C)下的循环性能；(b) 不同 LiOH涂覆率下的放电容量分布；(c) 电流密度为 0.126 mA cm−2时，10% LiOH-NMC 811电极的恒电流充放电电压曲线；(d) 电流密度范围为 0.126 至 1.26 mA cm-2时的倍率性能;(e) 10% LiOH-NMC 811的长循环性能。

文章链接

Self-Stabilized LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 in Thiophosphate-based All-Solid-State Batteries through Extra LiOH

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.024

通讯作者介绍

王岩教授。

王岩教授是美国伍斯特理工学院William Smith Foundation Dean 讲座教授。王岩教授的研究方向包括基础电化学、电化学技术与应用、材料回收与资源化，具体包括电解、锂离子电池、正极材料、固体电解质、电池回收再生和可持续应用，主持参与美国DOE、USABC以及NSF等多项基金项目，以第一/通讯作者在Joule, Nano Letters, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials, Green Chemistry等国际期刊上发表论文。

祝红丽教授。

祝红丽任教于美国波士顿东北大学（Northeastern University）。她的研究组专注于能源，生物质和先进制造的研究。从2012年至2015年，她在马里兰大学做博士后研究，致力于纳米纤维素，柔性电子器件和能源的研究。从2009年到2011年，她在瑞典皇家理工学院进行材料科学以及天然木材可降解和可再生生物质材料的研究。目前她的google scholar引用率 12069， H因子53。课题组组页：

https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/publication.html