孙学良罗俊ACS Energy Letters:揭示硫基全固态锂离子电池正极的化学和微观结构演变

孙学良罗俊ACS Energy Letters:揭示硫基全固态锂离子电池正极的化学和微观结构演变

【研究背景与进展】

全固态锂离子电池（SSLIBS）安全性高和理论能量密度高的优点，是应用于电动汽车的一种理想的电池。正极界面的稳定性对于提高SSLIBS的性能至关重要。近日，加拿大西安大略大学孙学良教授与天津理工大学罗俊团队在ACS Energy Letters发表了一篇题为“Unravelling the Chemistry and Microstructure Evolution of a Cathodic Interface in Sulfide-Based All-Solid-State Li-Ion Batteries”的文章。该文采用原位X射线近边吸收光谱（XANES）结合透射电镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）研究了富镍层状正极与硫化物固体电解质的界面行为。研究表明，硫化电解质在高压下处于亚稳态中间状态，在充放电过程中与正极发生寄生反应，导致富镍正极表面结构的重构。

【图文简介】

图1 空白和包覆LNO的NMC811复合材料的物理特性

原始NMC811的（a，b）扫描电镜图像。包覆LNO的NMC811的（c）扫描电镜图像；（d）高分辨透射电镜图像；（e，f）能谱Nb元素分布图。

图2 采用空白和包覆NMC811作为正极的固态电池的电化学表征

（a，b）充电/放电曲线。（c）循环性能。（d，e）电池在不同休息时间和充电/放电试验后的EIS曲线。

图3 采用空白和包覆LNO的NMC811正极的固态电池在循环过程中的原位XANES研究

（a）电池示意图，获得了大光子能量区的Bruker谱。（b-d）NMC811-LGPS和（e-g）LNO NMC811-LGPS SSLIBS的operando一阶导数映射的S K边吸收谱、Ni K边吸收谱和的充放电曲线。

图4 原始正极和包覆LNO正极过渡金属的operando XANES谱

（a，c）原始NMC的Mn和Co K边吸收谱；（b，d）LNO-NMC811的Mn和Co k边吸收谱。

图5 NMC811正极在SSLIBS中循环后的微观结构演变

（a，b）原始NMC811正极颗粒（a）红色区域的横截面FIB-SEM图像和（c，d）对应的S（黄色）和Ni（青色）元素分布图。（e，f）包覆LNO的NMC811正极粒子（e）红色区域的横截面FIB-SEM图像和（g，h）对应的S（黄色）和Ni（青色）元素分布图。图中的比例尺为（a，e）2μm和（b-d，f-h）1μm。

图6利用STEM-HAADF图像和相应的EELS谱确定了NMC811正极在SSLIB中循环后的微观结构演变

（a）NMC811正极的原子级STEM-HAADF图像。（b，c）STEM-HAADF图像和从这些区域获得的相应EELS谱。图中比例尺为（a，b）5nm

【小结】

研究者通过原位X射线近边吸收谱（operando XANES）和电子显微镜表征技术研究了层状NMC81正极与SSLIBS中LGPS硫化物界面的化学和微观结构演变。研究结果拓展了对无机SSLIBS界面机理的理解，展示了operando表征研究在探索高活性中间态和揭示能源材料复杂反应机理方面的潜力。

文献链接：Unravelling the Chemistry and Microstructure Evolution of a Cathodic Interface in Sulfide-Based All-Solid-State Li-Ion Batteries，2019, ACS Energy Letters, DOI:10.1021/acsenergylett.9b01676.

【作者简介】

第一作者-李夏博士：孙学良院士课题组Mitacs Elevate 博士后。2009年和2012年分别于大连理工大学和南开大学取得工学学士和硕士学位。2017年在加拿大西安大略大学获得机械与材料工程专业博士学位。目前研究方向包括：全固态锂电池、锂硫电池、锂离子电池和同步辐射技术等多个领域。迄今为止共发表学术论文40余篇 （包括第一作者/共同一作15篇），第一作者论文包括Nature Communications. Nano Letters, Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Energy Letters, Small Methods等。论文被引用次数1500+次，h-index 22。

第一作者-任洲宏：罗俊教授课题组研究生。2016年于南京信息工程大学取得理学学士学位。目前研究方向为电子显微学及催化和储能研究。

第一作者-Mohammad Norouzi Banis is research engineer in Prof. Xueliang (Andy) Sun's group at Western University, Canada. He received his Ph.D. degree in 2013in Materials Science and Engineering from Western University, on the study of nanostructured low temperature fuel cells and application of x-ray absorption spectroscopy in energy related systems. His current research interests include study of metal ion, metal air and nanocatalysts via in-situ synchrotron based techniques.

通讯作者-孙学良教授：加拿大西安大略大学材料工程学院教授，加拿大皇家学科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大纳米能源材料领域国家首席科学家、国际能源科学院的常任副主席。2018年成为第一位获得加拿大“材料化学杰出研究奖”的华人科学家。孙教授目前重点从事固态锂离子电池和燃料电池的研究和应用。迄今已发表超过400篇SCI论文（包括Nat. Energy, Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Acc. Chem. Res., Adv. Mater.）。他引次数23000+次，h-index 78。

通讯作者-罗俊教授：天津理工大学材料学院、新能源材料与低碳技术研究院、电镜中心教授，研究院副院长、电镜中心主任。2011年入选第一批国家青年千人计划，2019年获批天津市杰出青年科学基金。长期从事纳米材料及器件与电子显微学方面的科研。已在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition等国际著名学术期刊上以第一/通讯作者身份发表论文54篇及1个专著章节。