厦大杨勇EES：硫化物基全固态锂电池中高度可逆的Li2RuO3正极

研究背景

富锂层状氧化物由于其活性阴离子氧化还原而具有超过250 mAh g^-1的高容量，有望实现高能量密度锂离子电池。然而，富锂层状正极循环稳定性差、倍率性能不佳，电压衰减快。为了解决上述问题，利用固体电解质(SE)构建稳定和钝化的界面是一个不错的选择。其中，硫化物基无机固体电解质的室温离子电导率与有机液体电解质相当，因此，有望实现优异的电化学性能。但是，目前仍然缺乏对这些富锂正极材料在ASSLBs中的电化学性能的研究。

成果简介

近日，厦门大学杨勇教授和龚正良教授在Energy & Environmental Science上发表了题为“Highly reversible Li₂RuO₃ cathodes in sulfide-based all solid-state lithium batteries”的论文。该工作介绍了一种高度稳定的富锂Li₂RuO₃正极，在全固态锂电池(ASSLBs)中，该正极与硫化物固体电解质（Li₆PS₅Cl）形成钝化的固体电解质界面，能够有效抑制严重的界面副反应和快速增加的界面阻抗。稳定的Li₂RuO₃/硫化物电解质界面使得Li₂RuO₃在0.05 C下的可逆容量高达257 mAh g^-1，在1 C下循环1000圈后容量保持率高达90%。实验结果和第一性原理计算表明，在Li₂RuO₃/Li₆PS₅Cl界面处形成了电子绝缘相，有助于实现稳定的钝化界面并抑制连续的副反应。即使循环600次后，Li₂RuO₃仍能保持优异的可逆氧氧化还原活性，其电压衰减现象也显著降低。

研究亮点

（1）这项工作选择LRO作为正极材料，硫化物为SE制备ASSLBs，以探索LRO与硫化物固体电解质之间的界面性质，以及ASSLBs中阴离子氧化还原反应的稳定性；

（2）实验分析和密度泛函理论(DFT)计算证明，LRO与硫化物固体电解质之间形成了稳定的界面，

（3）长循环过程中，LRO能够保持可逆的氧氧化还原反应，并减轻电压衰减，从而产生优异的电化学性能。

图文导读

LRO-LPSCl-AB|LPS|Li-In ASSLBs的示意图如图1a所示。在电化学循环之前，电池在0.05 C的低电流密度下循环10圈（图1b）。可以提供220 mAh g^-1的高首圈放电容量和84.2%的库仑效率(CE)。在化成循环后，可逆比容量增加到257 mAh g^-1，第10次循环的CE为99.6%。当电流密度增加到0.1 C，电池在100次循环后表现出230 mAh g^-1的初始放电容量和98.2%的容量保持率（图1c）。此外，图1d显示，即使在5 C下，LRO也表现出高达98 mAh g^-1的比容量。当电流回到0.05 C时，LRO的容量可以完全恢复到250 mAh g^-1，在后续循环中保持稳定。这些结果表明，LRO在ASSLBs中具有出色的倍率性能。

图1e显示，LRO-LPSCl-AB|LPS|Li-In ASSLBs可以在1 C下提供210 mAh g^-1的高初始放电容量。1000次循环后，可逆容量仍有189 mAh g^-1，容量保持率~90%，CE始终接近100%。图1f与其他文献进行了比较，发现LRO-LPSCl-AB|LPS|Li-In ASSLB具有更高的可逆容量和长循环稳定性。