Angew. Chem. :铝基卤氧化物固态电解质的自蔓延合成

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具有高离子电导率的固态电解质是开发高安全性和高能量密度的全固态电池的关键材料。与传统的硫化物、聚合物、卤化物固态电解质相比,卤氧化物固态电解质具有高离子电导率以及与高电压正极兼容等优势,引起了研究者们的广泛关注。然而,目前卤氧化物固态电解质的制备通常采用高能球磨或高温退火等合成方法,这导致能耗较高。此外,产率也受到球磨罐或石英管体积的限制。因此,寻找一种简单、经济且可大规模合成的方法对于固态电解质的实际应用至关重要。


近日,宁波东方理工大学(暂名)的孙学良院士、李晓娜副教授和有研(广东)新材料技术研究院梁剑文研究员合作,报道了一种简单高效且低成本的自蔓延方法用于合成铝基卤氧化物固态电解质,该方法能够用于合成多种铝基卤氧化物,可以精确地调节成分,合成的Li+、Na+、Ag+等不同阳离子的卤氧化物电解质都具有超过10-3 S cm-1的高室温离子电导率。



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作者通过将碱金属卤化物引入到AlCl3和Sb2O3的放热反应体系中,使该合成反应能够在室温下自发进行以得到铝基卤氧化物电解质。自蔓延反应过程中,监测到的最高温度约为 140-165 °C。

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作者解析了铝基卤氧化物电解质的晶相及非晶相结构。使用XRD、拉曼光谱、27Al MAS NMR、PDF和EXAFS等多种表征技术揭示了铝基卤氧化物电解质中存在少量LiCl和LiAlCl4晶相,以及大量由AlCl4-和各种[AlaOmCln](3a-2m-n)基团组成的无定形基质。作者证明了这类电解质中的快速的Li+传导行为主要取决于非晶基质,而与晶相无关。非晶基质中的多种不同结构的[AlaOmCln](3a-2m-n)基团提供了大量活性位点,确保了快速的Li+传导。

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此外,铝基卤氧化物电解质具有高氧化极限和优异的高电压正极相容性。使用该电解质匹配富锂正极Li1.14Ni0.29Mn0.57O2组装的全固态锂离子电池在0.3 C的倍率以及2.5 V-4.8 V(vs. Li+/Li)的电压范围下具有175.3 mAh g-1的高容量,并且在循环300圈后仍保持 80.7%的容量。


综上所述,该工作报道的自蔓延合成方法是节能的、简单的且可放大的,使用该方法合成的铝基卤氧化物电解质具有高离子电导率、低成本、在高电压下稳定等优点,在高电压、高能量密度的全固态锂离子电池中极具应用前景。

文信息

A Universal Self-Propagating Synthesis of Aluminum-Based Oxyhalide Solid-State Electrolytes

Dr. Simeng Zhang, Yang Xu, Han Wu, Tianlu Pang, Dr. Nian Zhang, Prof. Changtai Zhao, Junyi Yue, Dr. Jiamin Fu, Shengjie Xia, Xiangzhen Zhu, Guanzhi Wang, Dr. Hui Duan, Prof. Biwei Xiao, Dr. Tao Mei, Prof. Jianwen Liang, Prof. Xueliang Sun, Prof. Xiaona Li


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202401373




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