孙学良院士/夏威等JACS：与锂金属兼容的反萤石结构固态电解质

第一作者：Pengcheng Yu。

通讯作者：孙学良、夏威、邹如强、韩松柏。

通信单位：宁波东方理工大学（暂名）、西安大略大学、北京大学、南方科技大学。

论文速览。

锂金属固态电池具有高能量密度和更高的安全性c;因此，它被认为是传统锂离子电池的未来替代品。但是，锂金属阳极的使用仍然具有挑战性c;超离子固态电解质缺乏良好的热力学稳定性。

本文提出了一种新的电解质设计，通过反向结构（与传统无机结构相比，#xff09;实现锂金属阳极的内热稳定性。富锂反萤石固态电解质࿰的设计与合成c;电解质在室温下高达2.1×10-4 S cm-1高离子导电性，三维快速锂离子传输通道，在锂−锂对称电池具有较高的稳定性。

同时，本文还展示了锂金属阳极和Licoo2阴极的可逆全电池，它证明了高能量密度固态电池作为锂金属兼容固态电解质的潜力。

图文导读。

图1：介绍了反结构材料的设计原理，与锂金属阳极的内热稳定性可以通过消除非锂离子来实现。

图2：Li−N−三元相图࿰S系统c;标识稳定相和亚稳相Li2.5N.5S0.5�后者具有最高的热稳定性。

#xff0通过热力学平衡电压分析c;Li2.5N0证实.5S0.5和锂金属阳极的稳定性。衍射粉末X射线(PXRD)光学图像，Li2+展示;xNxS1−随着氮含量的增加，x样品的晶体相和颜色变化。离子导电性测试表明󿀌Li2.5N0.5S0.5在室温下具有最高的离子导电性。Arrhenius图显示Li2.5N0.5S0.5活化能低，它显示了快速离子传导的特性。

图3：同步X射线衍射(SXRD)和中子衍射(TOF-NPD)的结果。，对Li2.5N0.精炼了5S0.5的晶体结构，反萤石结构的成功实现得到了证实。揭示了间隙锂位点的存在，这些点对于快速锂离子传输至关重要。

图4：通过Ab initio分子动力学(AIMD)模拟，Li2.5N0计算.5S0.5的扩散系数和锂离子导电性。。利用van Hove函数分析了Li离子的扩散机制，Li2.5N0显示.作为三维超离子导体的特性，5S0.5。通过CI-NEB计算和BVSE方法󿼌Li在Li2.5N0研究Li.迁移势垒和扩散通道在5S0.5中。

图5：Li2.5N0.5S0.对称电池中电解质的稳定性测试，包括电池中电解质老化前后的照片，以及与熔融锂金属接触的热稳定性测试。

电池循环后的扫描电镜(SEM)图像，观察Li2.5N00.5S0.5电解质表面无锂枝晶生长，它显示了其良好的电化学稳定性。

图6：使用Li2.5N0.全固态锂金属电池的电化学性能为5S0.5电解质，包括充放电曲线、倍率性能和长循环稳定性试验结果c;它在全电池中的应用潜力得到了证实。

总结展望。

本研究成功开发了一种具有内部热力学稳定性的富锂超离子导体，Li2.5N0，即反萤石结构.5S0.5固态电解质。该电解质通过引入新的间隙锂位点，优化了锂离子的迁移路径，并显著提高了锂离子的导电性。

模拟和实验结果都强调了它与锂金属的优异兼容性。利用Li2.5N0.5S0.5电解质，展示可逆Li−Li对称电池和锂金属阳极和Licoo2阴极的全电池，在高能密度固态锂金属电池中，富锂反萤石作为锂金属兼容固态电解质的潜力得到了证明。

未来的工作将讨论锂离子迁移的明确性质，包括传统的锂离子跃迁模型和渗透模型。另外，还需要研究抗氟石固态电解质的阴离子无序和熵驱动的锂离子扩散机制，并且它与全固态电池中的高面积载荷和快速充电兼容。

文献信息。

标题：Lithium Metal-Compatible Antifluorite Electrolytes for Solid-State Batteries。

期刊：Journal of the American Chemical Society。

DOI：10.1021/jacs.4c02170。