一舉三得 ——基于錫（Sn）元素替換的高性能硫化物電解質用于全固態鋰金屬電池

為了解決當下基于液態電解液的鋰離子電池能量密度低，安全性不高的問題，研究者提出發展新型的基于硫化物基電解質的全固態鋰金屬電池。然而，對于硫化物電解質，目前有兩大問題正阻礙其進一步發展。一、鋰金屬負極兼容性差。幾乎所有的被報道的硫化物電解質都會被金屬鋰還原。另外，因為在硫化物/金屬鋰界面不穩定的鋰沉積，同樣會產生鋰枝晶，而使得電池失效。二、空氣不穩定性。因為硫化物電解質中正五價的磷（P）對空氣中的氧（O）具有非常強的親和力，所以硫化物電解質在空氣中能與水反應，從而放出硫化氫（H2S）氣體。為了緩解硫化物/鋰負極界面的不兼容性，研究者曾多次報道富含I或者是F的鋰負極界面層有益于金屬鋰發生穩定的沉積/去沉積。特別是當電解質本身就含I時，通過電化學反應，原位形成的含I界面層能夠起到非常好的鋰負極保護作用。但是目前，合成具有優異的室溫離子電導率（>10-4 S/cm），同時又具有良好的空氣穩定性的硫化物電解質仍然是一個巨大的挑戰。從目前報道的文獻來看，基于Li-Sn-S體系的一類電解質（Li4SnS4和Li2SnS3）是僅有的一類在空氣中能夠穩定存在的硫化物電解質（導鋰離子），但是其室溫離子電導率只位于10-5 S/cm級別。硫銀鍺礦型的Li6PS5I（LPSI）硫化物電解質，本身富含I，因而被認為具有不錯的鋰金屬兼容性。但是，其室溫離子電導率只有~10-6 S/cm。另外，與其他硫化物一樣，其在空氣中也不穩定。

加拿大西安大略大學孫學良教授課題組運用錫（Sn）部分替換了硫銀鍺礦型LPSI硫化物電解質中的磷（P），制備了新型的具有Sn替換的固態電解質：LPSI-xSn（x是Sn替換百分比）。多方面測試結果顯示：LPSI-20Sn電解質的室溫離子電導率與LPSI電解質相比，提高了125倍，達到了3.5×10-4 S/cm。高離子電導率讓這一富含碘（I）元素的電解質能夠用作穩定的鋰金屬負極夾層，使得全固態鋰金屬電池在室溫下就能順利工作。更加重要的是，得益于在空氣中能夠穩定存在的Sn-S鍵，該硫化物電解質的空氣穩定性也得到了顯著的提升。這一一舉三得的元素替換策略為我們繼續探索、開發新型的高性能硫化物電解質提供了新的指導思想。