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高稳定富镍层状氧化物正极硫化物全固态电池

来源：原创 | 2022年06月19日

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LiNixCoyM1-x-yO2（NCM, M=Mn/Al, x≥0.6）富镍层状氧化物材料是非常理想的高能量密度硫化物全固态电池正极选择，但因界面空间电荷层效应和高镍正极循环过程体积变化导致的接触损耗等因素造成的界面阻抗限制了富镍层状氧化物正极在硫化物全固态电池中的应用。为解决界面问题、改善电化学性能，已有一系列方法对其进行表面改性，但仍存在以下问题: 例如，溶胶-凝胶法依赖粒子形貌和结构稳定性，会降低与其他正极材料的应用能力；湿法化学方法会导致更厚和更不规则的涂层，而用干法获得的涂层通常不均匀不完整；并且这些表面层方法复杂、繁琐、耗时，迫切需要一种成本低、可扩展性好、易于操作的新型保护层策略。鉴于此，本文提出了一种高效低成本的硫化策略，将NCM88正极材料在N2和CS2混合气氛中硫化后,可显著改善界面兼容稳定性，并提高硫化物全固态电池的电化学性能。NCM88-S/ LPSCl 全固态电池的放电比容量可达200.7 mAh g−1，500周稳定循环后容量保持率87%，倍率性能优异（1 C时为158.3 mAh g-1）。本工作采用的策略为开发高性能硫化物全固态电池正极材料开辟了一条新途径，也可以扩展到其他材料体系和电化学应用。相关工作以Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery为题发表在eScience期刊，第一作者为王玥。

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图1：论文内容总结。




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图2：（a）硫化装置示意图;（b-d）NCM88原始样品和硫化NCM88-S样品的XRD图。

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图3：NCM88样品的（a）TEM图和（b-c）HRTEM图；NCM88-S样品的（d）TEM图和 (e-f) HRTEM图。

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图4: NCM88-S样品的XPS 谱图（a）Ni 2p；（b）Co 2p；（c）Mn 2p；（d）S 2p 和（e）O 1s。

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图5：（a）NCM88电极在液态半电池中的充放电曲线;（b）NCM88电极和NCM88-S电极在硫化物全固态电池中的（b）充放电曲线；（c-d）循环伏安曲线；（e）循环性能；（f）倍率性能。

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图6：NCM88和NCM88-S样品在硫化物物全固态电池中的（a）长循环性能；（b）充放电曲线。

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图7：（a）NCM88复合电极和（b）NCM88-S复合电极在硫化物全固态电池中循环5周后的S 2p XPS光谱。

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图8：使用富镍层状氧化物正极的硫化物全固态电池放电比容量和倍率性能的比较。


表1 已报道的富镍层状氧化物正极在硫化物全固态电池中的电化学性能对比。

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Yue Wang, Zhixuan Wang, Dengxu Wu, Quanhai Niu, Pushun Lu, Tenghuan Ma, Yibo Su, Liquan Chen, Hong Li, Fan Wu*. Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery.eScience. doi: 10.1016/j.esci.2022.06.001

http://www.esciencemag.com/en/article/doi/10.1016/j.esci.2022.06.001

课题组近期论文

https://www.x-mol.com/groups/wu_fan/publications


1．Solid state ionics - selected topics and new directions 

F. Wu, L. Liu, S. Wang, J. Xu, P. Lu, W. Yan, J. Peng, D. Wu, H. Li*

Progress in Materials Science(IF=40), 2022, 126，100921.

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100921


2. Progress in Solvent-Free Dry-Film Technology for Batteries and Supercapacitors

Y. Li,Y. Wu, Z. Wang, J. Xu, T. Ma, L. Chen, H. Li*, F. Wu*

Materials Today(IF=31.041), 2022, 55，92-109.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.04.008


3.Air Stability of Sulfide Solid-state Batteries and Electrolytes

P. Lu#, D. Wu#, L. Chen, H. Li*, F. Wu*

Electrochemical Energy Reviews(IF=28.905), 2022, accepted.


4. Improving Thermal Stability of Sulfide Solid Electrolytes: An Intrinsic Theoretical Paradigm

S. Wang, Y. Wu, H. Li,L. Chen, F. Wu*

Infomat（IF=25.405）2022, 212316.

Improving thermal stability of sulfide solid electrolytes: An intrinsic theoretical paradigm - Wang - - InfoMat - Wiley Online Library


5. Doping Strategy and Mechanism for Oxide and Sulfide Solid Electrolytes with High Ionic Conductivity

Y. Wang, Y. Wu, Z. Wang, L. Chen, H. Li*, F. Wu*

Journal of Materials Chemistry A(IF=12.732), 2022, 10, 4517 - 4532

https://doi.org/10.1039/D1TA10966A  


6. Air/water Stability Problems and Solutions for Lithium Batteries

M. Yang, L. Chen, H. Li*, F. Wu*

Energy Materials Advances, 2022, accepted.


7. Stable Ni-rich layered oxide cathode for sulfide all-solid-state lithium battery

Y. Wang,Z. Wang, D. Wu, Q. Niu, P. Lu, T. Ma, Y. Su, L. Chen, H. Li, F. Wu*

eScience，2022, accepted.


8. Progress in Lithium Thioborate Superionic Conductors

X. Zhu, Z. Zhang, L. Chen, H. Li. Fan Wu*

Journal of Materials Research(invited paper), 2022, accepted.

https://doi.org/10.1557/s43578-022-00592-4


9. Liquid-phase Synthesis of Li2S and Li3PS4 with Lithium-based Organic Solutions

J. Xu, Q. Wang, W. Yan,L. Chen, H. Li. F. Wu*

Chinese Physics B, 2022, accepted.

Liquid-phase Synthesis of Li2S and Li3PS4 with Lithium-based Organic Solutions - IOPscience


10. Superior all-solid-state batteries enabled by gas-phase synthesized sulfide electrolyte with ultra-high moisture stability and ionic conductivity.

P. Lu, L. Liu, S. Wang, J. Xu, J. Peng, W. Yan, Q. Wang, H. Li, L. Chen, F. Wu*.

Advanced Materials（IF=30.849）, 2021, 2100921.

https://doi.org/10.1002/adma.202100921


11. Water-Stable Sulfide Solid Electrolyte Membranes Directly Applicable in All-Solid-State Batteries Enabled by Superhydrophobic Li+-conducting Protection LayerJ. Xu, Y. Li, P. Lu, W. Yan, H. Li, L. Chen, F. Wu*. 

Advanced Energy Materials（IF=29.368）, 2021, 2102348.

Water‐Stable Sulfide Solid Electrolyte Membranes Directly Applicable in All‐Solid‐State Batteries Enabled by Superhydrophobic Li+‐Conducting Protection Layer - Xu - - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library


12. High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite-Free Liquid Lithium Anode

J. Peng, D. Wu, F. Song, S. Wang, Q. Niu, J. Xu, P. Lu,H. Li, L. Chen, F. Wu*. 

Advanced Functional Materials（IF=18.808）, 2021, 2105776.

High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite‐Free Liquid Lithium Anode


13. 5V-Class Sulfurized Spinel Cathode Stable in Sulfide All-Solid-State Batteries

Y. Wang, Y. Lv, Y. Su,L. Chen, H. Li, F. Wu*. 

Nano Energy (IF=17.881), 2021, 90，106589.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106589


14. Progress in Thermal Stability of All-Solid-State-Li-Ion-BatteriesY. Wu#, S. Wang#, H. Li, L. Chen, F. Wu*.

Infomat（IF=25.405）, 2021, 1-27 (Cover Image)

https://doi.org/10.1002/inf2.12224


15. Application of Si-based Anodes In Sulfide Solid-State Batteries. 

W. Yan, F. Wu*, H. Li, L. Chen.

Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(3): 821-835.

Application of Si-based anodes in sulfide solid-state batteries (energystorage-journal.com)


作者及团队介绍

第一作者：

王玥：女，中国科学技术大学硕士研究生，研究方向为硫化物全固态电池新型正极材料。

合作作者：

陈立泉：中科院物理所博士生导师。中国工程院院士。北京星恒电源股份有限公司技术总监。曾任亚洲固体离子学会副主席，中国材料研究学会副理事长，2004年至今任中国硅酸盐学会副理事长。主要从事锂电池及相关材料研究，在中国首先研制成功锂离子电池，解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题，实现了锂离子电池的产业化。近年来，开展了全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究，为开发下一代动力电池和储能电池奠定了基础。曾获国家自然科学奖一等奖、中科院科技进步奖特等奖和二等奖，2007年获国际电池材料协会终身成就奖。2001年当选为中国工程院院士。

李泓：中科院物理所博士生导师。北京凝聚态物理国家实验室副主任。科技部先进能源领域储能子领域主题专家，工信部智能电网技术与装备重点专项项目责任专家，国家新能源汽车创新中心技术专家。国家杰出青年科学基金获得者。国家重点研发计划新能源汽车试点专项动力电池项目，北京市科委固态电池重点项目，国家自然科学基金委固态电池重点项目负责人。联合创办北京卫蓝新能源科技有限公司、溧阳天目先导电池材料科技有限公司、中科海钠科技有限公司、天目湖先进储能技术研究院有限公司，长三角物理研究中心有限公司。主要研究领域包括：高能量密度锂离子电池、固态锂电池、电池失效分析、固体离子学。合作发表SCI论文380篇，引用超过27000次，H因子84。共申请中国发明专利100余项，已获授权中国发明专利50余项。

通讯作者：

吴凡：中科院物理所博士生导师。发表SCI论文65篇，申请中国、美国、国际发明专利36项。兼任长三角物理研究中心科学家工作室主任、天目湖先进储能技术研究院首席科学家、中国科学院大学教授。入选国家海外高层次人才引进计划、中科院海外杰出人才引进计划及择优支持、江苏省杰出青年基金。获全国未来储能技术挑战赛一等奖; 中国科学院物理研究所科技新人奖；江苏青年五四奖章；江苏青年双创英才；江苏青年U35攀峰奖；常州市五一劳动奖章; 常州市突出贡献人才；常州市十大杰出青年；常州市十大科技新锐；华为优秀创新人才奖及创新探索团队奖；年度新能源领域最受关注研究工作等。任中国能源学会副主任；中国共产党江苏省党代会党代表；江苏省青科协理事；常州市青联常委等。

中科院物理所吴凡团队2022年6月起招聘两位博士后、工程师。欢迎报考/加入课题组（https://www.x-mol.com/groups/wu_fan）。来信请联系：fwu@iphy.ac.cn。


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