Angew. Chem. ：兼具成本优势、低密度、良好负极稳定性的硫化物固态电解质

全固态电池因其高能量密度和高安全性，被认为是最有前景的下一代高比能电池之一。实现全固态电池商业化的关键，在于找到合适的固态电解质。除了良好的离子导电性，固态电解质还需要具备极低的密度（以实现更低的电池重量）、良好的负极兼容性（从而使电池能使用锂金属、硅等高能量密度负极）、优异的成本竞争力（从而使全固态电池能为市场所接受）。

然而，在目前已报道的氧化物、卤化物、硫化物固态电解质中，没有任何一种可以同时具备以上三个特质。近日，中国科学技术大学的马骋教授团队开发了一种硫化物固态电解质Li₇P₃S_7.5O_3.5 (LPSO)，同时实现了上面提到的低密度、良好负极兼容性和优异成本竞争力这三个全固态电池商业化的关键要素。

在将化学计量比的Li₂O和P₂S₅高能球磨后，再在210 °C和280 °C下分别退火0.5 h和1 h，就能得到具有

结构的LPSO固态电解质。其具有4.58×10^-4 S cm^-1的室温锂离子电导率，并且其电子电导率比离子电导率低若干个数量级，表明该材料可以作为全固态电池的电解质。

除了良好的离子电导率，固态电解质还应具备较低的密度，否则由其构筑的全固态电池会因重量过大而无法实现高能量密度，而LPSO固态电解质的密度为1.70 g cm^-3，远低于卤化物（多为2.5 g cm^-3左右）和氧化物固态电解质（大多超过5 g cm^-3）。

同时，LPSO很好的继承了硫化物固态电解质对负极的稳定性。尽管LPSO会被金属锂还原，但是其还原产物（包含Li₂O, Li₂S, Li_xP）均为电子绝缘体，因此能阻止金属锂中的电子继续进入未反应的LPSO并持续对其进行还原。与此同时，这些反应产物也都允许相对高效的锂离子传输，因此它们的存在并不会阻碍电池循环。将LPSO与锂金属直接接触所构筑的Li | LPSO | Li对称电池，在25°C，0.1 mA cm^-2下实现了4200小时以上的稳定循环。

除了金属锂负极，LPSO电解质与Si负极也具有良好的相容性。LPSO与Si负极、单晶高镍三元正极LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（scNMC811）所组成的全固态Si | LPSO | scNMC811软包电池(5 cm × 5 cm)，在不同的电流密度下都展现出了优异的电化学性能。

在兼具低密度和优异负极稳定性的同时，LPSO的原料成本仅$14.42/kg，远低于$50/kg这一商业化的阈值，也远低于其他硫化物固态电解质(>$195/kg)。

综上所述，本工作报道的LPSO固态电解质同时具备极低的密度、良好的负极兼容性、优异的成本竞争力这三个至关重要、但却难以在其它固态电解质中同时实现的特质。该材料的发现为全固态电池的商业化铺平了道路。

论文信息

A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility

Hui Li, Qiaosong Lin, Dr. Jinzhu Wang, Lv Hu, Fang Chen, Dr. Zhihua Zhang, Prof. Cheng Ma

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202407892