100%利用率，全固态锂硫电池最新Science！

一、【科学背景】

与现有的锂离子电池相比，全固态锂硫电池（ASSLSBs）具有显著提高的能量密度、安全性和成本效益和低供应链风险而备受关注。尽管固态电解质（SSEs）的室温离子电导率已取得进展，但电池性能仍受限于电极-SSE界面的电荷传输和化学机械稳定性。硫的电子和离子导电性差、体积膨胀大（约80%），导致循环后固-固界面的化学机械失效。目前改善ASSLSB电池性能的策略包括纳米结构主体、催化剂、添加剂、掺杂、原子层沉积涂层和新的SSE。尽管已经取得了进步，但这些方法仍然存在界面离子传输缓慢的问题，导致硫利用率低（≤80%）和循环寿命不足。

二、【创新成果】

基于以上难题，美国阿贡国家实验室徐桂良研究员、Khalil Amine教授等人在Science上发表了题为“Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries”的论文，报道了在各种含卤素的固态电解质和高能量硫族化合物正极材料之间，通过超高转速（UHS）混合过程中的机械化学反应实现的界面处卤化物的普遍分离现象。具体的，受混合卤化物钙钛矿太阳能电池中光诱导相分离的启发，研究人员观察到在一系列含卤素的SSEs和高能量硫族（S、Se、SeS₂、Te）正极材料之间，通过2000 rpm的超高转速混合实现了普遍的卤化物分离。UHS混合产生的热冲击和剪切破碎的协同效应，使得在混合过程中能够诱导机械化学反应，从而实现从含卤素的SSEs中分离卤化物，并在正极颗粒上均匀沉积。这种结构增强了电荷传输动力学，提高了界面稳定性，并减轻了固态电池的机械故障。使用低温透射电子显微镜和同步辐射X射线衍射和光谱技术证实了卤化物偏析的形成和有效性。制备的各种ASSLSBs在商业水平的面积容量下表现出接近100%的硫利用率和非凡的循环稳定性。

三、【图文解析】

图1  各种复合S/LPSCl/C正极的结构分析 © 2025 AAAS

图2  通用卤化物偏析的冷冻TEM验证 © 2025 AAAS

图3  ASSLSBs的电化学性能 © 2025 AAAS

图4  UHS混合复合硫正极的循环后分析 © 2025 AAAS

四、【科学启迪】

综上，本研究通过超高速混合实现的卤化物分离是一种有效的界面工程策略，能够显著提升ASSLSBs的性能。卤化物分离形成的界面层不仅增强了离子传输，还抑制了正极材料的体积变化和副反应，从而实现了接近100%的硫利用率和长循环稳定性（在2 mg cm⁻²的硫负载量下，经过450个循环后，比容量保持率为93.2%；在4 mg cm⁻²的硫负载量和1.4 mA cm⁻²的电流密度下，初始放电比容量为6.35 mA·h cm⁻²，450个循环后容量保持率为80%）。这种策略不仅适用于硫正极，还可以扩展到其他硫族元素正极材料，具有广泛的适用性。该研究为全固态电池的界面设计提供了新的思路，未来可以进一步优化阳极界面设计和固态电解质工程，以开发出更高能量密度和更长寿命的ASSLSBs。

原文详情：Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries (Science 2025, 388, 724-729, DOI: 10.1126/science.adt1882)

本文由大兵哥供稿。