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固态电板（SSBs）有后劲比传统的锂离子电板（LIBs）更安全、具有更高的比能量开云体育，因为它们使用（i）无机固体电解质（SE）代替易燃的液态电解质（LE），以及（ii）锂金属代替石墨插层阳极。具有高离子导电性越过1 mS cm−1的硫化物SEs和成心的热机械制造性能，有助于在室温下大领域SSB制造，这是需要更高温度措置的低导电氧化物SEs的主要上风。尽管依然在室温下展示了具有高比能量>400 W h kgcell−1的SSBs，但由于需要幸免锂枝晶酿成和短路而只不错低电流密度<1 mA cm−2轮回，导致它们充电时候很长（举例，仅在10小时后以C/10的速度充满电）。每每复需要高外部单轴堆叠压力（>5 MPa）以在轮回进程中保执SE-活性材料界面的完好性。即使有这些完毕，SSBs的容量在轮回进程中每每会显赫衰减，且阴极活性材料（CAM）哄骗率低（<70%）。

假定宥恕于EV快速充电<15分钟的阴极性能，每每需要一个相对较厚的（>70 µm）电极，具有高CAM面积载荷（>15 mg cm−2）和高轮回寿命（1000次轮回内最大80%容量衰减）。为了达到这些宗旨，复合CAM/SE阴极不仅要假想得具有出色的离子和电子浸透性，而且还必须包含在好多轮回中稳重降解的材料。天然依然单独筹议了优化阴极性能的参数变化，但这些不同的视力夙昔莫得被集结起来，以酿成一套针对快速充电和长轮回寿命的阴极性能的假想规章或摄取范例。换句话说，面前若何将飞快出现的这些假想范例举座集结起来存在一个缺口。这些建议如下：（i）单晶（SC）而不是多晶CAM以幸免迫害应变和容量衰减，（ii）小（<5 µm）CAM颗粒以竣事裕如快的插层能源学并促进电子浸透，（iii）完毕充电范围以确保在轮回进程中CAM的体积变化低（<3%）以减少迫害导致的机械降解，（iv）碳纳米纤维（CNF）而不是碳黑（CB）用于电子浸透在较低分数和减少SE说明，（v）小（<1 µm）SE颗粒有用地围绕较大的CAM颗粒包装并确守密切的界面构兵，（vi）SE的高固有离子导电性（>1 mS cm−1）以竣事快速的Li离子传输，（vii）阴极组分的均匀羼杂以改善离子和电子浸透，（viii）低（<10%）制造孔隙体积以裁汰阴极阻抗，以及（ix）在细密化和轮回前保执完好、无裂纹的CAM颗粒。

近日，牛津大学Patrick S. Grant、Christopher Doerrer团队提议了一种针对快速充电和长轮回寿命的全固态电板（SSB）阴极的设战略略，并据此制造了一种基于硫化物固态电解质的单晶Li-Ni-Mn-Co氧化物复合阴极。在30℃和15 mA cm−2的充电条目下，竣事了150 mA h g−1的比容量，经过3000个轮回后，容量保执率为81%。筹议中使用了三电极结构来幸免在高电流密度下常见的过充电问题，将阴极的基人道能与阳极的过电位完毕分离开来。通过假想的策略和优化制造，210 µm厚的阴极卤莽在50 mA cm−2的超高电流密度下充电，仅用10分钟就达到了8 mA h cm−2的面积容量，标明具有400 W h kgcell−1的本色SSB阴极可能垂手而得。

该遵守以 "Fast-charging all-solid-state battery cathodes with long cycle life" 为题发表在《Nano Energy》期刊，第一作家是 Christopher Doerrer、 Gao Xiangwen。

（电化学能源整理，未经苦求，不得转载）

【使命重心】

本使命筹议了相宜假想范例的复合阴极在三电极结构中的性能，这种结构允许咱们将阴极性能与阳极的任何过电位完毕分开。筹议发现，在15 mA cm−2和30°C下，不错在不到10分钟内竣事快速充电时候<10分钟，在基于argyrodite电解质的SC-NMC复合阴极中竣事高容量150 mA h g−1，代表CAM哄骗率为71%。3000个轮回后的容量保执率为81%，复合阴极中的闲隙体积在1000个轮回后从3%加多到6.9%。终末，在80°C下，210 µm厚的阴极仅在10分钟内以50 mA cm−2充电，十分于8 mA h cm−2的面积容量。电板性能标明，即使在室温下，也不错在本色的SSB阴极厚度中竣事快速充电。在允许不合称充电/放电时候的应用中，展示了优化的复合阴极不错为具有本色充电时候和轮回寿命的SSBs作念出贵重的孝敬。

图1：快速充电速跋扈能。(a)用于测量不同充电电流密度从1到15 mA cm−2的速跋扈能测试中，联系于Li+/Li的电压反应（不包括第一个轮回），以及在30°C/1 mA cm−2下恒定的放电速度。(b)在二电极结构中，放电容量和库仑遵守随轮回次数的变化。(c)在不同充电电流密度下，放电容量随轮回次数的变化。

图2：快速充电轮回性能。(a)在30°C和15/5 mA cm−2下，放电容量随轮回次数的变化。轮回寿命数据是在二电极结构中赢得的，在应用图1b-c中的轮回结构之后。忽略了第一个轮回的库仑遵守平均值。(b)充电弧线随轮回次数的变化。(c)假定恒流轮回导致电压/容量充电弧线演变的暗示图，由于（左）预期在CAM/SE界面处电阻加多和（右）阴极活性材料的亏损。(d)复合阴极中随轮回次数变化的界面电阻。

图3：阴极微不雅结构和孔隙体积的演变。(a)轮回前，(b)10个轮回后，以及(c)1000个轮回后的复合阴极的SEM微不雅结构的3D重建。不错在线上找到轮回前、10个轮回后和1000个轮回后复合阴极SEM微不雅结构的3D重建视频。

图4：探索加多阴极负载。在50 mA cm−2和80°C的充电电流密度下，不同CAM负载的轮回行动，测量在二电极结构中。一个充/放电轮回和相应的100个轮回内容量衰减（不包括第一个轮回）关于在充电技艺的活性负载和倍率辞别为(a) 15 mg cm−2，15.2 C (b) 30 mg cm−2，7.6 C (c) 45 mg cm−2，5 C。电板电压是在阴极与Li-In阳极之间测量的。

图5：在不同电流密度下相比比能量。本筹议中的感情和文件中的灰色线路的比能量是基于阴极性能和CAM质料规画的。不同的感情线路充电时候。

【商讨】

超卓的阴极充电性能归因于两个要素。领先，全心集结材料和工艺条目以得志上述范例（i）至（ix）。其次，不常用于SSBs的三电极开发允许筹议摈斥了Li-In阳极的过电位后的阴极性能。

NMC中镍含量为83%时，在SOC轮回范围10-80%时体积变化仅为3%，但仍然提供了越过150 mA h g−1的相对高容量。在0-100% SOC之间轮回将赢得更多容量（约210 mA h g−1），但代价是更易迫害的体积变化，大要为6%。即使在更厚的阴极中，复合阴极中单个CAM颗粒的体积变化也有望在统共厚度中相对均匀，因为在SE中的离子电流着实皆备由电场驱动（迁徙数=1），何况莫得像在LE中那样的电解液浓渡过电位积聚。基于相对较低的容量衰减和CAM的低迫害，CAM颗粒的体积变化可保执在相对良性的范围<3%内。与在1 C和6 C以及100个轮回下NMC电极在LIBs中的超卓轮回寿命同样，单晶时势关于竣事相对较低的降解率至关蹙迫。

尽管硫化物SE的热力学不褂讪性，阴极仍然不错在高充电电流密度下运行3000个轮回。由于SE颗粒的高运转压实和使用相对较长的CNF（100-200 µm），可能在低堆叠压力下竣事锂离子和电子的浸透，这些在统共轮回中大部分得以保执。高效的浸透在复合阴极中亦然幸免任何不均匀电化学反应的要津，卓绝是在高电流密度下，这会在非优化阴极中促进局部首选CAM颗粒的体积延长。

图5涌现了不同电流密度下复合阴极的比能量相比。大大宗先前的使命限于相对较低的电流密度和/或低面积容量，导致比能量低。这些实际亦然在二电极设置下进行的，没干系于阳极过电位的信息，可能在测试技艺充电过早住手。因此，一些先前的筹议可能低估了潜在的令东谈主饱读动的底层阴极性能。尽管如斯，刻下的使命涌现了比夙昔的筹议有了显赫矫正。为了提供使用与这里筹议换取的复合阴极的异日SSBs的能量密度的视角。

【论断】

假想了快速充电固态阴极与长轮回寿命的假想准则，何况基于这些准则制造了一种基于硫银锗矿的Li-Ni-Mn-Co氧化物阴极。在30℃下以15 mA cm−2的高充电电流密度保执了150 mA h g−1的高容量（71%活性材料哄骗率，约8分钟充电时候）。通过三电极精确限度截止电压。以4.8 C快速充电，3000次轮回容量保执率为81%。阴极中的孔隙体积逐渐加多，活性颗粒阻拦在容量衰减中只起了很小的作用。210 µm厚的阴极在50 mA cm−2下充电，何况不错在大要10分钟内保管8 mA h cm−2的面积容量（85%活性材料哄骗率）。这项使命标明，硫化物基复合阴极不错在快速充电速度下风雅运行，卓绝是在电极制备提供了高制造密度，散布的活性颗粒与固态电解质紧密构兵的情况下。应用的设战略略不错手脚开发快速充电固态阴极的教唆。

Schematic set-up of a cross-sectional 3-electrode SSB with a Li reference electrode, a composite cathode, and a planar Li-In anode.

Christopher Doerrer, Xiangwen Gao, Junfu Bu, Samuel Wheeler, Mauro Pasta, Peter G. Bruce, Patrick S. Grant, Fast-charging all-solid-state battery cathodes with long cycle life, Nano Energy

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110531.

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