本篇文章来自于慈立杰教授及其基础研发团队，主要介绍了硫化物固体电解质和正极薄膜的无溶剂制备方法，以及由其组装的全固态电池的长循环寿命和优异的倍率性能。
深圳索理德新材料科技有限公司是一家专注固态电池核心材料研发、生产和销售的高新技术企业，主要产品和技术包括硅碳负极材料、氧化物固态电解质材料、粘结剂、导电剂等新型锂电材料。其中有机无机复合电解质研究生产在国内名列前茅，硫化物固态电解质的研究近段时间也取得重大突破，目前已利用无溶剂方法制备的硫化物固体电解质膜和正极薄膜实现了全固态电池长循环寿命，全固态软包电池也表现出出色的性能，意味着其未来规模商用的可能。为了推动固态电池技术发展和使其产业化，我司多个固态电解质实验室正在建设落实中，并将持续通过工艺优化进行产品迭代。
全固态锂金属电池因其优异的安全性和高能量密度被认为是最有前途的下一代电池，电解质材料又是全固态锂电池技术的核心，如何提高电池能量密度延长其使用寿命，其中减少硫化物电解质层厚度至关重要。
索理德创始人慈立杰基础研发团队使用设计的硫化物电解质薄膜和正极薄膜大幅改善了电池性能。具有两种薄膜组装的全固态电池在500次循环后的容量保持率从86.4%提高到91%。此外，全固态软包电池同样表现出优异的电化学性能，表明硫化物基固态电池规模商用成为可能。该研究以题目为“Long cycle life all-solid-state batteries enabled by solvent-free approach for sulfide solid electrolyte and cathode films”的论文发表在化学工程领域国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》。
制备的硫化电解质薄膜具有高的离子电导率，为8.4 mS cm-1，薄膜厚度为40 μm。同时，Li6PS5Cl薄膜和正极薄膜组装的全固态电池具有超长的循环寿命和优异的倍率性能，其稳定的循环性能远远优于同类液体锂电池。
【一】硫化物固态电解质薄膜的制备与表征
为了减少电解质薄膜的厚度，慈教授及团队发现，如果将电解质粉（99.8 wt.%）和PTFE粉（0.2 wt.%）采用球磨工艺混合后在80℃下热压延，可以将混合物机械成型为具有预设厚度的薄膜（约为40μm），所获得的复合膜是一个具有3D连续PTFE网络包裹着电解质颗粒的结构（图1a）。作者通过对比Li6PS5Cl粉末和制备的自支撑、柔性的Li6PS5Cl电解质膜的室温离子电导率（图2a）和低电子电导率（图2b）的数据发现，少量PTFE的引入并未减少电解质本身的离子导率。Li6PS5Cl薄膜具有8.4 mS/cm-1室温离子电导率（粉末为8.9mS/cm-1）和7.61 × 10−8S/cm−1的低电子电导率（粉末为7.9 × 10−8S/cm−1）。
【二】电池组装
如何改善正极活性物质和电解质之间接触差的问题，是提升硫化物全固态电池的实用性的关键所在。慈教授基础研发团队发现，由于PTFE的引入，制备的电解质膜和正极膜具有良好的柔韧性，可以改善界面接触，同时由于粘结剂的存在，可以使正极之间的颗粒相互交联，有利于保持正极结构的完整性，同时可以改善循环期间锂离子体积膨胀的问题。所以，此研究成果可以应用于小型的压力扣式电池，促进了硫化物基全固态电池的实际应用。
【三】电池性能
为了测试Li6PS5Cl薄膜和正极薄膜组装的全固态电池的性能，作者对其进行了一系列实验和计算表征。如图4所示，Li6PS5Cl薄膜和正极薄膜组装的全固态电池具有超长的循环寿命和优异的倍率性能， 在1C循环1000次后，电池的容量保持率仍为86.4%，容量仍保持在100.6 mAh g−1。 更重要的是，即使在4C的高倍率下，500次循环后的容量保持率也可以达到91%，显示出优异的循环稳定性和倍率性能。
【四】软包电池性能
为了验证包含正极极膜、电解质薄膜和Li-In负极的软包电池的实际应用性能，作者测试了软包电池在0.1C下的初始放电容量为132.6 mAh g−1（图5b），以及100次循环后的高容量保持率为88%（图5c)。实验表明全固态软包电池电化学性能同样优异，意味着未来商业应用可行性。
综上所述，作者通过对电池电解质薄膜的设计，在实现全固态电池长循环寿命，提高电池性能方面取得了重大进展。同时，这项工作也为全固态软包电池未来规模商用提出可能。
Jianwei Li, Yuanyuan Li, Shengnan Zhang, Tao Liu, Deping Li, Lijie Ci* Long Cycle Life All-Solid-State Batteries Enabled by Solvent-Free Approach for Sulfide Solid Electrolyte and Cathode Films. Chemical Engineering Journal. 2022, 140605.DOI: org/10.1016/j.cej.2022.140605https://doi: org/10.1016/j.cej.2022.140605