全固态锂电池！5000次，80%！刘美林团队，最新Nature子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-11-30 08:18

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全固态电池作为新一代高能量密度电池的重要发展方向,是能源结构转型的重要支撑。其中，锂基全固态电池（ASSBs）被广泛视为下一代高能可充电电池开发的理想选择，然而ASSBs的倍率性能通常较差，在高倍率充放电条件下性能不佳。

在此， 美国佐治亚理工学院刘美林团队 开发了Nb _1.60 Ti _0.32 W _0.08 O _5-δ （NTWO）并将其作为负极活性材料。研究显示，NTWO突破了传统锂金属负极的局限，实现优异的快充能力和循环稳定性。作者对NTWO与Li₆PS₅Cl（LPSCl）固态电解质的物理化学和电化学表征表明，在电极与电解质界面形成的LiWS₂是提升电池性能的主要原因。

结果显示，使用NTWO负极、LPSCl固态电解质与LiNbO₃涂层的LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂正极组装的电池在60°C和60 MPa的条件下，经过5000次循环仍能保持80%的放电容量。

图1. 对称电池和NTWO|LPSCl|NMC811的性能

总之，该工作采用NTWO作为锂离子电池负极并能够在高电流密度下确保全固态电池（ASSBs）的稳定运行。电化学测试表明，即使在超过2 A g⁻¹的高倍率下，NTWO负极仍能保持稳定性能。

此外，对称电池测试证实，即使在25°C和60 MPa的压力条件下，采用70 mA cm⁻²的高电流密度，NTWO也能稳定运行。在NTWO|LPSCl|NMC811电池中，NTWO负极与NMC811正极的组合在60°C和60 MPa的压力条件下，以14.85 mA cm⁻²的电流密度运行，仍展现出2.96 mAh cm⁻²的面容量，同时在45 mA cm⁻²的高电流密度下，经过5000次循环后仍具有约1 mAh cm⁻²的面容量。

在80°C下，即使在101 mA cm⁻²的高电流密度下循环2000次后，NTWO|LPSCl|NMC811电池仍能保持约1 mAh cm⁻²的面容量。因此，该工作为全固态锂离子电池负极材料的发展奠定了基础。

图2. ASSB全电池中NTWO电极的示意图及与最新研究结果的对比

Nb _1.60 Ti _0.32 W _0.08 O _5−δ as negative electrode active material for durable and fast-charging all-solid-state Li-ion batteries, Nature Communications 2024 DOI: 10.1038/s41467-024-52767-8