大规模制备硫化物快离子导体助力高性能全固态电池商业化

　　在全固态电池的发展道路上，固态电解质的性能和工艺始终是决定其能否线日，武汉理工大学王硕教授团队、清华大学南策文期刊发表最新研究，题为“Large-scale manufacturing sulfide superionic conductor for advancing all-solid-state batteries”。该工作开发出一种性能卓越的硫化物快离子导体Li（简称LPSCB），并且实现了硫化物电解质批次公斤级稳定制备，并在实际电池中展现出惊人的长期循环稳定性。

　　硫化物固态电解质因其高离子电导率、良好柔韧性以及低温工艺等优势，被视为实现高性能全固态电池的理想选择。其中，锗银矿结构的材料，尤其是Li6PS5X（X=Cl/Br），因其在室温下就具备良好的离子导电性，一直是研究焦点。不过，传统硫化物的制备工艺普遍依赖高能球磨，不仅耗时费力，而且产量有限、批次差异大，很难满足产业化的需求。此外，这类材料在与高电压正极或金属锂负极接触时容易发生界面副反应，导致容量迅速衰减，也是一个难以逾越的障碍。

　　针对这些痛点，这项研究开辟出了一条“简洁高效”的新路径。研究团队通过“快速干混+热处理”的方式，仅用3分钟即可完成前驱体混合，再在450500C下退火8小时，便成功实现了每批超过1公斤的LPSCB硫化物电解质合成。这是目前已知的文献报道的实验室首次实现公斤级硫化物固态电解质制备，代表着制备技术从“实验室瓶颈”迈入“准工程化”的关键转变。更值得注意的是，合成出的LPSCB展现出极为优异的离子传导性能：冷压态下的室温离子电导率达13 mScm-1，热压处理后更是高达25 mScm-1，远超多数已报道的硫化物电解质，为商用液态电解液的2倍。

　　同时，材料的离子迁移激活能仅为0.24 eV，这意味着锂离子在其中能够轻松穿梭，具备超快动力学响应。这一性能的提升，并非偶然。在结构分析方面，研究人员结合中子衍射（NPD）与6Li-7Li示踪核磁共振（NMR）实验，深入揭示了LPSCB中锂离子的迁移路径。与传统认为的48h-48h跳跃机制不同，该材料中还引入了一个被忽视的16e位点，形成了独特的“48h-16e-48h”跳跃路径。这一额外通道显着提高了锂离子的跨笼迁移能力，被认为是离子电导率大幅提高的根源。

　　在电池组装测试中，研究人员以单晶NCM83@Li3BO3为正极，LPSCB为固态电解质，并配合In/Li负极组装了全固态电池。在0.5C的充放电倍率下，电池可稳定循环超过2500次，且几乎不出现容量衰减；在更高的2C倍率下，也能维持1800次稳定循环。此外，在高正极负载（21.4 mg cm-2）条件下，该电池仍能实现2.8 mAh cm-2的面容量，并在0.1C倍率下稳定运行440圈。这些数据不仅在实验室体系中表现突出，也为实用化场景提供了可靠的支撑。

　　通过XPS和EIS等表征，研究团队进一步证实了LPSCB与正极之间形成了动力学稳定的界面，在充放电过程中极大地抑制了副反应的发生，这是全固态电池能够实现超长循环寿命的根本原因之一。

　　从材料设计、工艺突破，到结构解析和电池验证，这项工作全链条展示了如何将“高性能硫化物电解质”真正推向实际应用的可能性。它不仅提出了性能更优的材料设计方案，也提供了一种低能耗、高产量的新制备工艺路径，对于固态电池产业化具有重要启示意义。

　　相比许多仍停留在实验室阶段的材料体系，这项研究所提出的LPSCB无疑离实用更近一步。高电导率、低活化能、良好的界面稳定性以及公斤级稳定制备，意味着它有望真正“搭上”下一代全固态电池产业化的列车。未来，随着这一工艺进一步优化与正负极匹配的持续推进，我们或许能在不远的将来看到基于此类材料的全固态电池产品走入市场。（来源：科学网）