Li_5.5PS_4.5Cl_1.5作为硫化物电解质之一，由于其超高的导电性，在全固态电池中作为固态电解质具有显著的优势。然而，它们的实际应用受到空气稳定性差和与锂金属相容性弱的限制。本文以电解质掺杂和修饰锂金属为策略，提高电解质的空气稳定性以及电解质与锂金属间的界面兼容性，以提高硫化物全固态锂金属电池的综合性能。在Li_5.5PS_4.5Cl_1.5电解质中掺杂SnO₂的策略主要提高了其空气稳定性，并改善了与锂金属的相容性。这有利于用以下材料组装的ASSLMBs的电化学性能LiNbO₃@NCM712阴极和掺杂电解质。随后，用质量比为10 %的SnF₂（表示为Li-10%SnF₂）处理的Li金属进一步提高了固态电解质和Li金属之间的相容性。使用改性锂金属和掺杂电解质组装的ASSLMBs显示出增强的电化学性能。这种双重改性方法显示出协同效应，有望在未来开发出具有更高能量密度和改善循环性能的ASSLMBs。

基于此，华中科技大学余创教授和西安电子科大学李思吾副教授合作，通过SnO₂掺杂形成Li_5.58P_0.92Sn_0.08S_4.34O_0.16Cl_1.5电解质，从而提高Li_5.5PS_4.5Cl_1.5的性能。Sn和O掺杂剂的引入在电解液中形成了稳固的Sn-S和P-O键，取代了敏感的P-S键，抑制了H₂S的释放。此外，该掺杂电解质表现出令人印象深刻的锂离子电导率5.71 mS cm⁻¹, 2.9 mA cm⁻²的高临界电流密度，并显着改善了空气和水分稳定性。此外，锡掺杂剂在裸露的锂金属阳极上形成Li-Sn合金层，赋予ASSB在0.2C下146.7 mAh/g的初始放电容量，在0.5C下循环200次后的容量保持率为86.2%。结合10 wt. % SnF₂处理的锂金属阳极，通过原位形成的Li-Sn和LiF衍生物进一步加强电极界面稳定性，得到的全电池在0.2C时具有179.5 mAh/g的初始放电容量，在0.5C下循环300次后仍具有112.2 mAh/g的高放电容量。电解质掺杂和锂阳极改性的双重策略实现了协同效应，使全固态电池表现出优越的电化学性能，为硫化物基锂金属全固态电池大规模应用提供了制备稳定电解质及界面的有效途径。杨捷硕士，姜紫凌博士为论文的共同第一作者。

图1. 电解质掺杂与锂金属修饰策略提高全固态锂金属电池中Li_5.5PS_4.5Cl_1.5的空气稳定性和电化学性能

图2. 所得电解质在不同环境下的稳定性测试及理论计算结果

图3. 基于对称电池的临界电流密度及循环性能测试

图4. 全电池在不同温度下的电化学性能

图5. 基于锡基双改性的对称电池和全电池在宽工作温度范围内的性能测试

该研究成果以“Tin-based dual-modification enabling enhanced air stability and electrochemical performance for Li_5.5PS_4.5Cl_1.5 in all-solid-state lithium metal batteries”为题，以Research Article形式发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院分区1区，影响因子13.3）。前沿院菁英副教授李思吾、华中科技大学余创教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家资助博士后研究人员计划、陕西省博士后科研项目资助等科研项目的资助。感谢西安电子科技大学分析测试中心、化学生物综合实验中心提供技术支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157027