北科大李平教授团队JMCA：新型Li7TaO6包覆及Ta掺杂协同实现5500圈硫化物全固态锂电池

【文章信息】

新型Li₇TaO₆包覆及Ta掺杂协同实现超长循环的硫化物全固态锂电池

第一作者：史洁

通讯作者：李平*

单位：北京科技大学

【研究背景】

与当前传统的液态锂离子电池相比，全固态锂电池因其更高的能量密度和出色的安全性而备受关注。然而，基于硫化物固态电解质的全固态锂电池的长循环性能并不令人满意，这源于复杂多样的界面问题。提高正极材料和硫化物电解质之间的界面稳定性是开发高性能全固态锂电池的重要一步。本文提出一种新型的Li₇TaO₆涂层，并采用简单一步原位合成法制得，该纳米涂层促进界面处锂离子的传输，有效降低了界面副反应/电阻，同时表面Ta掺入基体材料，减少锂镍混排程度，提高了正极材料的结构稳定性。这种简便方法制备的新涂层和掺杂协同改性策略有助于加速全固态锂电池领域的研究及实际应用。

【文章简介】

近日，北京科技大学李平教授课题组在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Coupling Novel Li₇TaO₆ Surface Buffering with Bulk Ta-Doping to Achieve Long-Life Sulfide-Based All-Solid-State Lithium Batteries”的研究文章。该研究文章提出了一种新型Li₇TaO₆包覆及Ta掺杂协同策略改善了硫化物全固态锂电池中的界面问题，实现了超长的循环稳定性。

【本文要点】

要点一：L7TaO包覆及Ta掺杂NCM811的结构示意图及微观形貌图

通过调控NCM811前驱体、锂盐LiOH•H₂O及钽源Ta₂O₅的比例，采用简单的一步烧结工艺，便可在合成NCM811的同时表面形成厚度可控的L7TaO缓冲层及内部Ta掺杂的改性NCM811。掺杂-涂层共改性的NCM811与LPSCl硫化物固态电解质的界面接触示意图如图1c所示。结合热力学相互反应能计算，提供了可能的界面相互反应(图1d)，评估了L7TaO作为缓冲涂层的可行性。其结果表明L7TaO涂层在理论上可以提高NCM811与LPSCl之间的界面稳定性。

图1.（a）制备过程及（b）L7TaO合成结构示意图；（c）掺杂-涂层共改性的NCM811与LPSCl硫化物固态电解质的界面接触图示意图；（d）界面反应能计算结果图。

SEM和TEM图显示P-NCM811表面光滑，说明没有包覆层，内部的晶格条纹间距为0.47 nm，与NCM811的（003）晶面相吻合。合成的不同包覆含量的NCM811@L7TaO随着包覆量的增加，表面逐渐的模糊。L7TaO-1wt%的表面可以观察到约4 nm厚的涂层，该涂层的内部晶格条纹间距为0.158 nm，与Li₇TaO₆的（027）晶面相吻合。同时改性后的NCM811内部晶格条纹间距扩大为0.48 nm，表明存在掺杂现象。L7TaO-1wt%的EDS能谱表明，Ni、Co和Mn元素均匀分布，同时，Ta元素的分布与主元素的分布一致，表明Ta元素没有形成团聚体，在二次粒子上均匀分布。