高离子导电固态电解质为毫米级厚度电池电极带来新的设计思路
近年来，全固态锂电池（ASSLBs）因其固态电解质而非传统的液态电解质而备受关注。固态电解质具有许多优点，如更高的安全性、更好的能量和功率特性。然而，固态电解质的硬度导致其在阴极表面的润湿性较差，并且难以向阴极均匀供应锂离子，这导致了固态电池的容量损失。特别是在厚电池正极（例如毫米厚度的正极）中，这个问题变得更加明显。
为了解决这个问题，研究人员正在寻找具有高锂离子导电性的固态电解质，以实现在毫米厚度的电极中实现高性能的全固态锂电池。现在科学家取得了一些相关的研究成果：
根据东京工业大学的研究人员的报道，他们通过增加复合超离子晶体的复杂性，成功设计出了具有高锂离子电导率的固体电解质，适用于毫米厚的电池电极。这项研究为合成高熵活性材料并保持其超离子传导性提供了新的设计规则。
该研究已发表在《科学》杂志上。
背景：
随着世界向更绿色、更可持续的能源经济转型，对锂离子电池的需求不断增加。
全固态锂电池（ASSLBs）因其固态电解质的特殊性质引起了研究人员的兴趣。
固态电解质使电池更安全，并提供了更好的能量和功率特性。
问题：
由于固态电解质的刚度，导致其在阴极表面的润湿性差，无法均匀地向阴极提供锂离子。
这导致固态电池的容量损失，尤其在厚电池正极（如毫米厚的正极）中更为明显。
研究方法：
由东京工业大学的Ryoji Kanno教授领导的研究团队描述了一种生成具有增强锂离子导电性的固态电解质的新策略。他们的工作建立了通过多取代方法合成锂超离子导体高熵晶体的设计规则。
研究团队通过多重替代的方法修改了两种已知的锂基固态电解质的化学组成。
他们设计了一系列具有不同取代程度的晶体，并将其用作全固态锂离子电池的阴极料。
许多研究表明，无机离子导体在多元素取代后往往表现出更好的离子电导率，这可能是因为锂离子迁移的势垒变平，这对于更好的离子电导率至关重要。
在新材料的设计中，该团队从两种著名的锂基固体电解质的化学成分中获得灵感：基于锂硫银锗矿型（Li 6 PS 5 Cl）和LGPS型（Li 10 GeP 2 S 12）超离子晶体。他们通过多重取代对LGPS型Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3进行修饰，合成了一系列组成为Li 9.54 [Si 1−δ M δ ]1.74P 1.44 S 11.1 Br 0.3 O 0.6 (M = Ge、Sn；0≤δ≤1)。
研究人员使用 Ge = M 且 δ = 0.4 的晶体作为 ASSLB 中的阴极电解液，阴极厚度为 1 或 0.8 毫米。前者和后者的ASSLB在25℃（1mm）下的放电容量分别为26.4mAh cm -2和-10℃（0.8mm）下的17.3mAh cm -2
- 结果：
- 在1毫米或0.8毫米厚的全固态锂离子电池中，使用这些晶体作为阴极料，实现了较高的放电容量。
- 这些电池的面积特定容量分别提高了1.8倍和5.3倍，相较于之前报道的最先进的全固态锂离子电池。
- 结论：
- 这项研究为制备毫米厚电极的高熵固态电解质提供了新的方法。
- 这一设计规则为探索具有卓越充放电性能的新型超离子导体奠定了坚实的基础。
- 实际上，所提出的设计规则为探索即使在室温下也具有优异充放电性能的新型超离子导体奠定了坚实的基础。
