硫化物全固态电池界面改性研究

硫化物全固态电池界面改性研究

硫化物全固态电池因其高能量密度和安全性而被视为下一代能量存储与转化器件。然而，这类电池的实际应用受限于诸多问题，其中，硫化物固态电解质与电极之间的界面问题尤为突出。本文将介绍硫化物全固态电池的界面问题及其改性研究的最新进展。

硫化物全固态电池的界面问题

基于硫化物固体电解质的全固态锂电池可以克服当前锂离子电池能量密度低和安全性问题，是最具前景的下一代能量存储与转化器件。然而，这类电池的实际应用受限于诸多问题，其中，硫化物固态电解质与电极之间的界面问题尤其突出，限制了其性能。

空间电荷层

空间电荷层通常形成在氧化物正极|硫化物电解质界面，氧化物正极与硫化物固态电解质具有不同的离子浓度和势能导致两者接触时锂离子会自发地向正极迁移，而锂离子在正极侧与电子结合，使得电解质表面的锂离子持续向正极侧迁移，从而形成空间电荷层，显著增加了Li+扩散的活化能和界面阻抗，阻碍了Li+在界面上的扩散和迁移。

界面副反应

由于硫化物固态电解质电化学窗口较窄，容易在正极界面被氧化，在负极界面被还原，生成离子电导率低的中间层，增加界面阻抗，并产生SO2等气体。此外，在负极侧形成具有混合离子和电子导电性的界面时，会在循环过程中使SE持续分解，导致电池容量和功率性能快速退化。

机械不稳定性

由于硫化物电解质的刚性，不可避免地发生活性材料和电解质界面接触失效，失效处局部电流密度较高，引起较大的局部应变，导致接触失效的扩散。

硫化物固态电解质中正/负极的界面问题的示意图

硫化物全固态电池的界面改性

正极侧的主要解决方案为界面包覆。理想的包覆层应与正极和电解质具有化学、电化学稳定性，离子导电且电子绝缘，机械稳定性，且能实现薄且均匀的包覆。

对于负极侧，界面缓冲层是抑制界面副反应的主要措施。此外，寻找合适的电极材料和电解质也是有效的方案。然而，目前负极侧界面副反应的研究大多集中在锂金属负极，Li嵌入式或合金负极（如石墨和Si基负极）中界面副反应的研究相对较少，相关的解决方案有待进一步深入研究。

全固态电池已成为高能量密度电化学储能器件最具前景的选择之一。然而，全固态电池中的固-固界面接触差、界面副反应严重以及动力学迟滞等问题严重阻碍其进一步发展。本报告将介绍硫化物全固态电池的界面问题来源及改性思路，重点关注高比容量硅基负极材料和高电位富锂锰/高镍正极材料，具体内容包括：1）通过在硅基负极材料表面构筑Li-Al-O快离子导体，提升其在硫化物全固态电池中的界面稳定性及离子输运动力学；2）通过在高镍/富锂锰正极材料表面进行“快离子导体表面包覆+近表面体相掺杂”协同优化改性，有效解决高电压正极在全固态体系中的动力学迟缓问题和界面副反应问题。上述研究成果为阐明全固态电池失效机制和探索优化改性策略提供了可借鉴思路。