孙学良AEM：揭示硫化物基全固态电池的界面化学反应和电化学反应

Nanoyu

2021-05-07

由界面反应引起的较大的界面电阻是硫化物电解质（SEs）基全固态锂电池（ASSLBs）面临的主要挑战之一。目前关于SEs与典型的层状氧化物正极之间大界面电阻的根本原因还不完全清楚。

近日，加拿大西安大略大学孙学良教授，布鲁克海文国家实验室Dong Su，多伦多大学Chandra Veer Singh报道了通过XPS、X射线吸收光谱（XAS）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）研究了界面反应的初始触发机制，揭示了单晶LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（SC-NMC532）和硫化物电解质Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）之间的近表面结构变化。

文章要点

1）研究表明，界面氧损失源于层状SC-NMC532中氧化的SE，在界面产生磷酸盐（PO₄^3-）、硫酸盐（SO₄^2-）和亚硫酸盐（SO₃^2-）等氧物种。巧合的是，界面氧损失导致氧化物正极的界面结构由层状结构转变为岩盐结构。此外，实验还发现，较高的工作电压（2.5~4.4 V vs Li⁺/Li）可以在界面处电化学诱导多硫化物和单质硫等非氧物种的形成。

2）这些高度氧化的界面物种和界面结构的变化阻碍了界面锂离子（Li⁺）的传输，从而导致了SE基ASSLBs的大界面电阻。此外，采用界面涂层策略可以有效抑制界面氧损失和相应的氧化物正极的局部界面结构变化，但不能防止电化学诱导的非氧物种（例如，多硫化物、S₈）的形成。

这项研究首次分别研究了正极/SE界面上同时发生界面结构变化的电化学和化学反应。这些深刻的理解有助于合理地设计面向高性能SE基ASSLBs的正极。

参考文献

Changhong Wang, et al, Deciphering Interfacial Chemical and Electrochemical Reactions of Sulfide-Based All-Solid-State Batteries, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202100210

https://doi.org/10.1002/aenm.202100210