硫化物基全固态电池（ASSB）采用固态电解质而非液态电解质，有望突破传统锂离子电池在安全性和能量密度方面的局限性。然而，其实际应用却面临一个主要障碍——阴极活性材料（CAM）与硫化物基固态电解质界面处的化学相容性较差。

目前广为研究的解决方案是在阴极材料表面涂覆一层薄的保护层，以防止阴极与电解质直接接触，从而减少有害的副反应。

既往研究表明，若要维持有效的锂离子传输及界面稳定性，必须将此类保护层的厚度精确控制在5纳米（nm）以下。然而，该涂层有效发挥作用所需的最小厚度一直不明确。

据外媒报道，为了解决这个问题，由韩国汉阳大学（Hanyang University）材料科学与化学工程系Tae Joo Park教授领导的研究团队系统地研究了硫化物基ASSB所需阴极保护层的最小有效厚度。

图片来源：汉阳大学Tae Joo Park教授

Park教授解释说：“我们的研究通过为厚度相关的界面设计提供定量依据，将该领域从长期以来的‘最佳厚度’概念中解放出来。”

相关研究成果发表于期刊《Energy Storage Materials》。

保护层的制备方法

该研究选用铌酸锂（LNO）作为模型保护层。研究人员使用旋转式粉末原子层沉积（ALD）系统，在NCM811粉末（一种广泛用于硫化物基ASSB的阴极活性材料）上沉积厚度可控的LNO保护层。

为了精确控制保护层的成分和厚度，研究团队采用了一种超循环法，即在交替循环中沉积锂和铌，并同时沉积臭氧（O₃）。

利用该技术，研究团队制备出三款不同涂层厚度的扭矩电池型ASSB，所用的NCM811粉末分别涂覆了厚度为1.0nm（LNO-1）、2.5nm（LNO-2.5）和5.0nm（LNO-5）的LNO保护层。

性能测试结果

电化学性能分析显示出明显的厚度依赖性趋势。LNO-1电池的初始放电容量最高，为229mAh g⁻¹，而LNO-2.5和LNO-5 nm电池的初始放电容量分别为216mAh g⁻¹和207mAh g⁻¹，这表明随着涂层厚度的增加，初始放电容量逐渐降低。

另一方面，LNO-2.5和LNO-5电池的循环寿命比LNO-1电池长约28%。此外，LNO-1电池的离子传输界面电阻比LNO-2.5和LNO-5电池高59%。

相比之下，裸电池的循环寿命比LNO-2.5电池短43%，界面电阻高约145%。光谱和显微镜研究进一步表明，只有当涂层厚度达到至少2.5nm时，界面副反应才能得到有效抑制。

设计规则及未来意义

Park教授表示：“研究结果表明，抑制硫化物基ASSB副反应的LNO保护层的最小有效厚度为2.5nm。这为下一代固态电池的阴极-电解质界面优化提供了实用指导。”

该设计规则有望打造出更耐用的电动汽车用ASSB，从而延长电池寿命，实现更长的续航里程。尽管在实现超级工厂规模化生产方面仍面临挑战，但这种精确的粉末ALD工艺展现出可扩展生产和商业化的潜力。

总而言之，这项研究提供了一条重要的设计规则，有助于加速开发更长寿命、高能量密度的固态电池。