【會議報告】富鹵素型硫銀鍺礦電解質設計合成及高性能全固態電池構筑

隨著交通電氣化和分布式儲能市場的快速增長，基于液態電解液的傳統鋰離子電池體系已經不能滿足對高安全性、高能量密度、低成本及更長循環壽命的迫切要求。采用液態電解液的鋰離子電池存在易泄漏、易腐蝕、易燃燒等安全隱患，而高能量密度要求必然造成安全問題更加突出，因此提高鋰電池本征安全性對其在規?；瘍δ苤械膽弥陵P重要。將液態電解液替換為不可燃性固態電解質構建而成的全固態電池具有高安全、高能量/功率密度、長壽命、低成本、環境適應性及更容易回收，被視為解決目前鋰離子電池安全性問題的終極方案。

鋰硫銀鍺礦基電解質Li₆PS₅X(X=Cl, Br)因其高室溫鋰離子導電率和低成本在眾多電解質中最具產業化前景，而富鹵素型硫銀鍺礦電解質則因其接近甚至超過液態電解液的超高鋰離子電導率而受到越來越多的關注。

鋰硫銀鍺礦電解質Li₆PS₅X(X = Cl, Br)的晶體結構

為促進鋰硫銀鍺礦電解質的實用化，開發低成本、高效率、高重復性的合成路徑至關重要。目前常用的合成Li₆PS₅X(X = Cl, Br, I)電解質的方法主要有固相法和液相法兩種。

固相法

固相法主要包括高能機械球磨法、球磨-燒結聯用法和簡單固相燒結法三種。

（1）高能機械球磨法是把LiX (X = Cl, Br)、Li₂S、P₂S₅等各種原材料密封在球磨罐內，采用高速球磨提供機械能將原材料的化學鍵斷裂，使材料在原子級別混合反應，同時球磨珠之間以及與球磨罐內壁之間在高速旋轉和碰撞過程中會產生熱量，最終形成Li₆PS₅X (X = Cl, Br)電解質的制備方法。使用這種方法制備的電解質的離子電導率與球磨過程的球料比、球磨珠子材質、球磨速度和時間及球磨工藝等有關。 

（2）球磨-燒結聯用法是將原材料經高能球磨過程后，壓片燒結得到最終電解質的方法。由于高能球磨得到的產物含有大量的無定形相存在，導致材料的結晶性較差，經過燒結處理提高制備的材料中晶相電解質含量，一般能得到室溫離子電導率 超過10^?3 S·cm^?1的鋰硫銀鍺礦電解質。

（3）簡單固相燒結法是將原材料均勻混合后直接燒結得到最終電解質的制備方法。為了保證材料混合的均勻性，前期的原材料混合可采用低速球磨的方法。該方法能克服高能機械球磨帶來的能耗、沾壁及一致性等問題，有望降低合成成本，推動鋰硫銀鍺礦固態電解質規模化制備。

液相法

液相法合成鋰硫銀鍺礦固態電解質一般分為兩種途徑：懸浮液法和溶解-沉積法。

（1）懸浮液法是指將合成鋰硫銀鍺礦電解質原材料(主要為Li₂S、 P₂S₅、LiCl、LiBr、LiI等)分散在不溶性的有機溶劑中，通過機械攪拌使其均勻混合，隨后采用熱處理除去有機溶劑，并通過燒結得到最終產物。

（2）溶解-沉積法則需要將固相法合成的電解質或前驅體材料溶解在可溶性的有機溶劑中，形成穩定均勻的混合溶液，最后經過熱處理去除溶劑，并進行簡單燒結得到所需電解質。

要實現硫銀鍺礦電解質全固態鋰電池中大規模應用，仍面臨許多挑戰，如化學/電化學穩定性、與電極材料和鋰金屬的兼容性、熱穩定性、成本等。針對上述問題，華中科技大學余創教授團隊基于富鹵素型硫銀鍺礦電解質的超高離子電導率，采用“木桶短板”設計理念，設計具有不同性能的功能型電解質，以實現構筑高性能和優異環境適應性的全固態電池。

針對固態電池相關的技術、材料、市場及產業等方面的問題，中國粉體網將在昆山舉辦第五屆高比能固態電池關鍵材料技術大會。為致力于固態電池技術開發的企業，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業發展。屆時，華中科技大學余創教授將作題為《富鹵素型硫銀鍺礦電解質設計合成及高性能全固態電池構筑》的報告。報告主講人將介紹富鹵素型硫銀鍺礦電解質的設計理念以及如何實現構筑高性能和優異環境適應性的全固態電池。

專家簡介：

余創博士，華中科技大學電氣與電子工程學院教授、博士生導師，國家級海外高層次人才項目(青年項目)入選者，湖北省百人計劃入選者，武漢市“武漢英才”產業領軍(創新類)人才入選者。2009年本科畢業于哈爾濱工程大學，2012年碩士畢業于中國科學院福建物質結構研究所，2017年于荷蘭代爾夫特理工大學獲博士學位；先后在荷蘭代爾夫特理工大學和加拿大西安大略大學從事博士后研究工作（合作導師孫學良院士）。余博士主要從事高安全電化學儲能器件及關鍵技術和材料的研究，目前獲得中組部海外高層次人才計劃青年項目、國家自然科學基金面上項目、科技部重點研發計劃新能源汽車重點專項青年科學家項目、科技部重點研發計劃儲能與智能電網技術重點專項青年科學家課題、武漢市“武漢英才”產業領軍項目、寧德時代21C實驗室開放基金、遠景能源委托企業項目等資助。已經在J. Am. Chem. Soc., Nature Communications, Energy Storage Material, Energy Environmental Materials等國際期刊發表論文130余篇，發表文章被引用4800余次，發表英文專章3章，擔任Energy Material Advances, Energy Environmental Materials, eScience, Chinese Chemical Letter，Renewables等多個期刊青年編委。當前研究興趣為固態電池關鍵技術及材料。

參考來源：

彭林峰、余創等.鋰硫銀鍺礦固態電解質研究進展

華中科技大學余創教授課題組Renewables：硫銀鍺礦電解質穩定性研究及高載量全固態電池構筑

Rare Met. 華中科技大學余創：Li6PS5I硫銀鍺礦電解質的合成優化并在不同溫度下全固態電池中的應用

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