采用无机固体电解质能显著提升传统锂离子电池的安全性，锂金属负极也可进一步提高电池的能量密度。固态电解质材料是发展固态锂电池的关键核心技术。硫化物固体电解质Li10GeP2S12 （LGPS）的室温离子导电率高且柔软易加工，因此受到越来越多的关注。但是，硫化物电解质材料容易与空气中的水和二氧化碳发生反应，限制了其在固态电池领域的商业化应用。此外，硫化物电解质与氧化物正极的界面稳定性差也是发展该体系电池亟待解决的关键问题。
近日，本课题组的工作“Solution-processable Li10GeP2S12 solid electrolyte for a composite electrode in all-solid-state lithium batteries”在国际能源期刊Sustainable Energy & Fuels上发表。东南大学于跟喜博士为论文第一作者，陈坚教授和孙正明教授为论文共同通讯作者。
该工作主要介绍了LGPS-PVDF复合体系离子导电材料的一种溶剂化处理方法，提出溶液浸渍法制备LGPS-PVDF@LCO（电解质/正极）一体化半电池（图1）。通过溶液浸渍法将溶剂化的LGPS电解质引入至LCO正极的孔隙中，在正极内部以及正极与电解质的界面形成三维连续贯通的离子导电网络通道，为全固态电池中正极和电解质的界面离子传输问题提供一种有效的解决方案。
该工艺技术既保证了LGPS和LiCoO2（LCO）之间实现紧密的固-固接触，提供丰富的锂离子传输通道。而且，PVDF粘结剂的使用也有效地增强了LCO和LGPS之间的界面和结构稳定性。最重要的是，硫化物电解质的溶剂化处理可以避免其与空气的接触，有利于大规模商业化应用。
研究结果表明，经过离子导电通道的结构优化后，LiCoO2正极在0.1C的电流密度下的可逆容量达到120mAh g-1，在1C的充放电条件下的放电比容量为76.3mAh g-1，60个循环后的容量保持率为71%。本策略也可以应用于其他固态电解质材料，根据实际需求改变电极材料。我们认为，溶液处理具有较高的离子导电性和良好的电极兼容性的固态电解质对于全固态电池的发展至关重要，而功能性聚合物粘合剂的开发将进一步提高其性能。
图1 PVDF@LCO制备工艺示意图
图2(a) LCO电极表面SEM图，(b-c) LCO电极截面SEM图和相应的元素EDX面扫图，(d) LGPS-PVDF渗入LCO电极表面SEM图，(e-f) LGPS PVDF渗入LCO电极的截面SEM图和相应的元素EDX面扫图射，(g-h) LGPS- PVDF膜的表面和截面SEM图，(i)柔性LGPS PVDF膜光学照片
图3 在25℃和 0.1 mA的电流条件下，(a)对称Li/BM-LGPS/Li电池的锂沉积剥离曲线，(b)对称Li/LGPS-PVDF/Li电池的锂沉积剥离曲线
图4 (a)室温下LGPS-PVDF@LCO/Li电池的Nyquist图，(b)不同充放电电流下LGPS-PVDF@LCO/Li电池的电压-容量曲线，(c) 0.1C-2.0C的倍率循环条件下LGPS-PVDF@LCO/Li电池的放电容量变化曲线，(d) 0.1C电流密度下，LGPS-PVDF@LCO/Li、LCO/LGPS-PVDF/Li和LCO/电解液/Li电池的循环稳定性对比，(e) 0.5C电流密度下LGPS-PVDF@LCO/Li电池的循环性能和库仑效率，(f) LGPS-PVDF@LCO/Li电池在1.0C电流密度下的循环性能
文献链接：
Solution-processable Li10GeP2S12 solid electrolyte for a composite electrode in all-solid-state lithium batteries (Sustainable Energy & Fuels., 2021,DOI：10.1039/D0SE01669A)