兰州大学本科生开发出可直接兼容锂硅合金的氧氮卤化物固态电解质

近日，兰州大学材料与能源学院本科生在全固态锂电池领域取得重要研究进展，开发出了可直接兼容锂硅合金的氧氮卤化物固态电解质。相关成果以“Single-Layer Oxyhalide-Nitride Solid-State Electrolyte Membrane for High-Energy-Density All-Solid-State Lithium Batteries”为题发表在知名学术期刊Nano Letters上。材料与能源学院2024级新能源材料与器件专业本科生刘行、钟焱为论文共同第一作者，王凯青年研究员、贺德衍教授为通讯作者。

固态电解质能同时与高压正极和低压负极兼容，对实现高能量密度全固态锂电池至关重要。然而，目前易集成到全固态锂电池中的可形变固态电解质很少能够同时满足这一要求。如Li₇La₃Zr₂O₁₂等氧化物固态电解质理论上可同时兼容4 V级高压正极和锂金属负极，但其制备需要苛刻的高温烧结条件，且材料本身硬而脆，严重制约了它们的商业化应用。Li₆PS₅Cl等硫化物固态电解质具有高离子电导率和良好的可变形性，与低压负极（如Li、Li-Si、Li-Al合金）兼容性良好，但对高压正极不稳定。Li₂ZrCl₆等低成本卤化物固态电解质通常对高压正极稳定，却会与低压负极发生界面副反应，导致界面阻抗增大。因此，主流研究通常采用双层固态电解质膜构型作为折中方案，即将卤化物用于高压正极侧，硫化物用于低压负极侧。然而，在最先进干法成膜工艺也只能将单层无机固态电解质膜辊压到25 μm厚的情况下，双层膜配置因厚度过大势必造成材料浪费并降低电池理论能量密度。因此，开发能够同时兼容高压正极与低压负极的单层固态电解质膜，对于推动全固态锂电池的实用化具有重要意义。

该团队基于氮氧双阴离子共掺杂策略，开发了能与4 V级LCO正极和低压Li₁₃Si₄负极同时兼容的氧氮卤化物固态电解质LZCON_x（0.1 ≤ x ≤ 0.3）。LZCON_x可通过与低压Li₁₃Si₄负极发生自限性副反应，形成相对离子导电的SEI，从而实现了Li₁₃Si₄｜LZCON_0.15｜Li₁₃Si₄对称电池2000小时的稳定锂沉积/剥离（图1）；并且Li₁₃Si₄｜LZCON_0.15｜LCO电池可在0.5 C电流倍率下提供134.72 mAh/g的初始比容量与100圈的稳定循环。这一发现为解决卤化物固态电解质与低压负极的兼容性难题提供了可行方法。

图1 LZCON_x与Li₁₃Si₄负极的兼容性

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03049