Nat. Mater.重大突破：高性能全固态锂硫电池！

一、【科学背景】

全固态锂硫电池（SSSBs）因其高理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）、硫的低成本、避免了液态锂硫电池中有机电解液的易燃性，以及固态电池消除溶解的多硫化物引起的穿梭效应对循环寿命的负面影响提高安全性和稳定性等优势，被视为下一代储能技术的理想选择。作为主流固态电解质，硫银锗矿（Li₄PS₂Cl，简称AG）基于S↔Li₂S的可逆转化，具有高的离子电导率（>10 mS/cm）。然而在充电过程中，当电压超过2.5 V（vs. Li⁺/Li）时，晶格中游离的S²⁻离子会以与Li₂S相似的电位被氧化为硫，导致电解质发生电化学分解。此过程不仅消耗电解质，还会生成绝缘副产物（如LiCl和P₂S₇⁴⁻），导致界面阻抗激增和容量衰减，严重制约了电池性能。

二、【创新成果】

基于以上难题，加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar教授团队在Nature Materials上发表了题为“Suppressing argyrodite oxidation by tuning the host structure for high-areal-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries”的论文，提出提出“强宿主-电解质界面相互作用”策略，从源头抑制Li⁺的脱出，从而协同抑制硫银锗矿的氧化。具体的，本研究采用C₃N₄掺杂石墨烯（CNG）作为概念验证宿主材料，其适中的电子传输特性既保证了电池运行，又有效限制了电解质界面的电子迁移。相较于非极性碳材料，采用该宿主材料的SSSBs展现出优异的倍率性能和长期循环稳定性—室温下循环230次仍保持2 mAh cm^-2的容量，而在60℃条件下获得11.3 mAh cm^-2的高容量（容量保持率90%）。本研究提出的关键参数可深化对固态电解质氧化还原行为的理解，为SSSBs界面和材料设计提供指导。

三、【图文解析】

图1  硫正极导电碳结构设计以最小化AG氧化 © 2025 Springer Nature

图2  不同复合正极中电解质分解的电压曲线和比较 © 2025 Springer Nature

图3 CNG抑制LPSCl1.5氧化的机制 © 2025 Springer Nature

图4  Li-In|LPSCl1.5|CNG（或NG）-S-LPSCl1.5-SSBs在室温下的电化学性能 © 2025 Springer Nature

图5  Li-In | LPSCl1.5 | CNG-S-LPSCl1.5-SSB电池在C/10倍率循环过程中的阻抗演变 © 2025 Springer Nature

图6  Li-In|LPSCl1.5|CNG-S-LPSCl1.5 SSSBs的高硫负载电化学性能 © 2025 Springer Nature

四、【科学启迪】

综上，本研究通过氮掺杂碳材料（CNG）的界面调控，在固体电解质与硫宿主界面处形成了强Li–N结合，从而有效抑制了银硫锗矿（AG）的分解，实现了全固态锂硫电池的高容量与长循环寿命。这种抑制作用通过限制Li⁺离子的初始脱出，减缓了AG的间接氧化过程的动力学，并将硫化物离子转化为硫的第一步电位向更高电压方向移动，随后也抑制了后续的步骤。这些过程不仅减缓了氧化动力学，而且在直接充电时表现出更高的过电位。通过减少界面处绝缘分解产物的积累，CNG宿主能够容纳高硫负载，从而显著提升了SSSBs的循环性能。与NG电池相比，CNG电池实现了2.8倍的容量提升。这一工作为固态电池的界面工程和材料设计提供了重要参考，推动固态锂硫电池向产业化迈出关键一步。

原文详情：Suppressing argyrodite oxidation by tuning the host structure for high-areal-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries (Nat. Mater. 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02238-2)

本文由大兵哥供稿。