硫系全固态电池超高载量富镍三元正极实现突破，佳美机械梅工18540392279

厦门大学杨勇教授团队在硫系全固态电池超高载量富镍三元正极材料失效机理分析及改性方面取得新进展。相关研究成果以“Enabling Stable and High Areal Capacity Soild State Battery with Ni-rich Cathode via Failure Mechanism Study”为题在线发表于国际顶级能源期刊《Energy Storage Materials》（DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102987）。

随着锂离子电池（LIBs）的基础/产业研究取得了里程碑意义的进展（例如电动汽车和储能电站），社会对LIBs更高能量密度的追求日益强烈。作为下一代电化学储能技术，全固态电池被认为具有更高的能量密度、高安全性从而得到广泛关注。硫化物固态电解质相较于氧化物固态电解质、卤化物固态电解质以及聚合物基固态电解质，具有更高的离子导电性和更加适配的机械性能，被认为是最有前景率先实现商业化的固态电解质之一。

采用富镍层状氧化物正极的硫化物基全固态电池具有更高的能量密度及安全性，是颇具研究价值和应用前景的下一代储能技术之一。富镍正极材料和电解质间的副反应导致界面钝化，体积变化导致复合电极机械失效。尤其在高载量下，复合正极的电化学性能更不令人满意。

基于此，研究团队从富镍单晶NCM811-LPS硫基全固态电池的失效机理出发，系统地探讨了界面副反应、复合正极微观颗粒分布以及力学（or机械）失效三个方面。NCM811与LPS的界面副反应发生于LPS的分解，产物通过氧化还原反应或S-O交换反应与NCM811作用。此外，LPS的结构不稳定性和P-S的酸碱不相容性是导致界面不稳定的内在因素。复合正极制备过程的研磨工艺从动力学上加速了界面副反应，而NCM811的不均匀分布，将导致离子渗流网络的曲折以及加剧机械失效的发生。因此，本工作提出三点策略：（1）通过探究最佳的球磨工艺，既能够控制界面副反应，又能促进正极颗粒在SE中的均匀分布，降低应力；（2）将复合电极中结构不稳定的LPS更换为更加稳定的LPSCl，从而减少界面副反应；（3）添加少量PTFE粘结剂，减轻NCM811的机械失效。通过上述策略结合，最终得到了2000圈容量保持率88.5%的ASSB。在厚电极设计上，实现了高载量（35.7 mg cm-2）下室温工作，具有180 mAh g-1的高比容量，以及0.1C和0.3C下6.43和5.9 mAh cm-2的高面容量，容量保持率为88%。60oC下，实现超高载量71.4 mg cm-2下以0.05C可以达到13 mAh cm-2的破纪录面容量。该研究系统构建了从失效机理到改性策略的研究框架，一方面明确揭示了NCM811-LPS复合正极的失效模式，针对特定模式提出了解决方案；另一方面，经过系统优化的复合正极实现了创纪录的面容量以及优异的循环稳定性，为设计高性能、高能量密度硫系全固态富镍正极提供了重要的范例。

厦门大学化学化工学院杨勇教授为该论文的通讯作者，课题组已毕业博士生梁子腾为本文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金项目（22261160570, 21935009以及22021001）以及国家重点研发计划（2021YFB2401800）的资助。