【会议报告】富卤素型硫银锗矿电解质设计合成及高性能全固态电池构筑

随着交通电气化和分布式储能市场的快速增长，基于液态电解液的传统锂离子电池体系已经不能满足对高安全性、高能量密度、低成本及更长循环寿命的迫切要求。采用液态电解液的锂离子电池存在易泄漏、易腐蚀、易燃烧等安全隐患，而高能量密度要求必然造成安全问题更加突出，因此提高锂电池本征安全性对其在规模化储能中的应用至关重要。将液态电解液替换为不可燃性固态电解质构建而成的全固态电池具有高安全、高能量/功率密度、长寿命、低成本、环境适应性及更容易回收，被视为解决目前锂离子电池安全性问题的终极方案。

锂硫银锗矿基电解质Li₆PS₅X(X=Cl, Br)因其高室温锂离子导电率和低成本在众多电解质中最具产业化前景，而富卤素型硫银锗矿电解质则因其接近甚至超过液态电解液的超高锂离子电导率而受到越来越多的关注。

锂硫银锗矿电解质Li₆PS₅X(X = Cl, Br)的晶体结构

为促进锂硫银锗矿电解质的实用化，开发低成本、高效率、高重复性的合成路径至关重要。目前常用的合成Li₆PS₅X(X = Cl, Br, I)电解质的方法主要有固相法和液相法两种。

固相法

固相法主要包括高能机械球磨法、球磨-烧结联用法和简单固相烧结法三种。

（1）高能机械球磨法是把LiX (X = Cl, Br)、Li₂S、P₂S₅等各种原材料密封在球磨罐内，采用高速球磨提供机械能将原材料的化学键断裂，使材料在原子级别混合反应，同时球磨珠之间以及与球磨罐内壁之间在高速旋转和碰撞过程中会产生热量，最终形成Li₆PS₅X (X = Cl, Br)电解质的制备方法。使用这种方法制备的电解质的离子电导率与球磨过程的球料比、球磨珠子材质、球磨速度和时间及球磨工艺等有关。 

（2）球磨-烧结联用法是将原材料经高能球磨过程后，压片烧结得到最终电解质的方法。由于高能球磨得到的产物含有大量的无定形相存在，导致材料的结晶性较差，经过烧结处理提高制备的材料中晶相电解质含量，一般能得到室温离子电导率 超过10⁻³ S·cm⁻¹的锂硫银锗矿电解质。

（3）简单固相烧结法是将原材料均匀混合后直接烧结得到最终电解质的制备方法。为了保证材料混合的均匀性，前期的原材料混合可采用低速球磨的方法。该方法能克服高能机械球磨带来的能耗、沾壁及一致性等问题，有望降低合成成本，推动锂硫银锗矿固态电解质规模化制备。

液相法

液相法合成锂硫银锗矿固态电解质一般分为两种途径：悬浮液法和溶解-沉积法。

（1）悬浮液法是指将合成锂硫银锗矿电解质原材料(主要为Li₂S、 P₂S₅、LiCl、LiBr、LiI等)分散在不溶性的有机溶剂中，通过机械搅拌使其均匀混合，随后采用热处理除去有机溶剂，并通过烧结得到最终产物。

（2）溶解-沉积法则需要将固相法合成的电解质或前驱体材料溶解在可溶性的有机溶剂中，形成稳定均匀的混合溶液，最后经过热处理去除溶剂，并进行简单烧结得到所需电解质。

要实现硫银锗矿电解质全固态锂电池中大规模应用，仍面临许多挑战，如化学/电化学稳定性、与电极材料和锂金属的兼容性、热稳定性、成本等。针对上述问题，华中科技大学余创教授团队基于富卤素型硫银锗矿电解质的超高离子电导率，采用“木桶短板”设计理念，设计具有不同性能的功能型电解质，以实现构筑高性能和优异环境适应性的全固态电池。

针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题，中国粉体网将在昆山举办第五届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业，科研院校，以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台，开展产、学、研合作，共同推动行业发展。届时，华中科技大学余创教授将作题为《富卤素型硫银锗矿电解质设计合成及高性能全固态电池构筑》的报告。报告主讲人将介绍富卤素型硫银锗矿电解质的设计理念以及如何实现构筑高性能和优异环境适应性的全固态电池。

专家简介：

余创博士，华中科技大学电气与电子工程学院教授、博士生导师，国家级海外高层次人才项目(青年项目)入选者，湖北省百人计划入选者，武汉市“武汉英才”产业领军(创新类)人才入选者。2009年本科毕业于哈尔滨工程大学，2012年硕士毕业于中国科学院福建物质结构研究所，2017年于荷兰代尔夫特理工大学获博士学位；先后在荷兰代尔夫特理工大学和加拿大西安大略大学从事博士后研究工作（合作导师孙学良院士）。余博士主要从事高安全电化学储能器件及关键技术和材料的研究，目前获得中组部海外高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划新能源汽车重点专项青年科学家项目、科技部重点研发计划储能与智能电网技术重点专项青年科学家课题、武汉市“武汉英才”产业领军项目、宁德时代21C实验室开放基金、远景能源委托企业项目等资助。已经在J. Am. Chem. Soc., Nature Communications, Energy Storage Material, Energy Environmental Materials等国际期刊发表论文130余篇，发表文章被引用4800余次，发表英文专章3章，担任Energy Material Advances, Energy Environmental Materials, eScience, Chinese Chemical Letter，Renewables等多个期刊青年编委。当前研究兴趣为固态电池关键技术及材料。

参考来源：

彭林峰、余创等.锂硫银锗矿固态电解质研究进展

华中科技大学余创教授课题组Renewables：硫银锗矿电解质稳定性研究及高载量全固态电池构筑

Rare Met. 华中科技大学余创：Li6PS5I硫银锗矿电解质的合成优化并在不同温度下全固态电池中的应用

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