全球对高能量密度、本质安全储能系统的需求，推动全固态电池（ASSBs）成为下一代电化学技术前沿，在电动汽车、电网储能等领域应用前景广阔。与传统液态锂离子电池相比，采用不可燃固态电解质的全固态电池，更易实现高能量密度与优异热稳定性的结合。其中，锂银锍硫化物（如 Li5.5PS4.5Cl1.5，LPSC1.5）因高离子电导率和良好机械顺应性成为热门候选材料，但高温条件下的性能退化问题限制了其应用，制约了硫化物基全固态电池的工作温度窗口。室温条件下，硫化物基全固态电池的性能退化源于正/固态电解质界面的电化学与机械耦合作用：硫化物电解质电化学稳定窗口窄，在高电压正极下易氧化形成电阻性界面相，增大阻抗、损耗活性锂；固-固接触的刚性则导致正极循环时晶格应变无法调节，引发界面开裂与接触失效。然而，高温下的降解路径尚未明确，高温虽降低电解质本体离子电阻，却会加剧界面反应和结构劣化，其根本失效机理仍是宽温域全固态电池发展的主要障碍。目前相关性能改善策略多基于经验，未阐明退化机制随温度的转变规律，热应力下界面化学与机械稳定性的耦合关系仍存在关键知识空白。
该论文以“Designing high-temperature-stable sulfide electrolytes with thermally stable nanocoatings: insights from interfacial degradation mechanisms”为题发表在期刊 Journal of Energy Chemistry上。
近日，深圳大学刘光良教授团队针对硫化物基全固态电池高温性能退化问题，研究了基于LPSC1.5电解质与NCM正极的电池温度依赖性失效机制，发现机理转变：25°C时，容量衰减主要由正极开裂、接触失效导致的活性材料损失主导；50°C时，由LPSC1.5与NCM界面氧化还原反应引发的活性锂损失主导。基于此，团队提出界面稳定策略——在硫化物电解质颗粒上构筑MxOy（如SiO2、MgO、ZrO2、Al2O3）纳米涂层，以抑制界面氧化、维持电池电化学-机械完整性。概念验证显示，SiO2包覆LPSC1.5的全固态电池，在50°C、5 C倍率下放电容量达110.7 mAh g⁻1，1000次循环后容量保持率为76.69%。该工作阐明了温度依赖性衰减起源，建立了宽温域高性能固态电池的通用设计框架。
图1. 基于LPSC1.5的电池在25℃和50℃下的电化学性能。（a）倍率性能；（b，c）分别在25℃和50℃下的充放电曲线；(d) 在25 ℃和50℃、1C下的循环性能；（e）25℃和（g）50℃下的dQ/dV曲线；（f）在25℃和50℃、5C下的循环性能。
本工作首先系统评估了电池在不同温度下的电化学行为差异。数据显示，在25°C时，电池展现了良好的循环稳定性（500次循环后容量保持94.68%），但高倍率性能受限；而在50°C时，尽管低倍率容量略有提升，但循环衰减显著加速（容量保持率72.69%），且高倍率下极化严重。微分容量曲线进一步揭示，室温下的衰减与正极结构损伤（H2-H3相变峰消失）密切相关，而高温下则主要源于加剧的界面副反应。
图 2.LPSC1.5/NCM界面演化与温度的关系。（a，b）25℃和（c，d）50℃下的DRT曲线；LPSC1.5/NCM复合物在1 C倍率下分别于（e，f）25℃和（g，h）50℃循环1次及200次后的XPS图像；在（i，j）25℃和（k，l）50℃下循环后的ToF-SIMS图像及其对应副产物的含量比例。
图2通过多种表征手段阐明了温度依赖的衰减机制。弛豫时间分布（DRT）分析表明，高温（50°C）导致电荷转移阻抗显著增加且分布不均。XPS和ToF-SIMS分析提供了直接的化学证据：50°C循环后，电解质中原始PS43-物种含量大幅降低，而P2Sx、SOx等氧化产物增多，且分布不均匀，形成了阻碍离子传输的“阻抗热点”，这证实高温下的主导衰减模式是锂库存损失。
图 3. LPSC1.5/NCM材料演变机制与温度的关系。（a）25℃和（b）50℃循环后的横截面SEM图像以及EDS图像；循环后的LPSC1.5/NCM复合物在（c）25℃ 和（d）50℃下的TEM图像。
图3从结构和机械角度揭示了不同温度下的失效模式。扫描电镜（SEM）图像显示，25°C循环后正极/电解质界面出现明显裂隙和分层，表明机械失效和接触损失是主因。而在50°C下，界面接触相对保持完整。高分辨透射电镜（HRTEM）进一步显示，50°C下正极材料表面的有害岩盐相重建层更厚，这与化学氧化加剧的结论一致，共同指向高温下锂库存损失的主导地位。
图 4. 热稳定的MxOy纳米涂层策略及其对LPSC1.5基全固态电池在50℃下电化学性能的增强。（a）热稳定的MxOy纳米涂层策略示意图；（b）LiNiO2与LPSC以及MxOy与LPSC之间相互反应能的计算结果；（c）LPSC1.5@SiO2的TEM图像；LPSC1.5@SiO2的XPS谱图；（f）倍率性能；（g）不同倍率下的充放电曲线；（h）在50℃、1 C倍率下的循环性能；（i）50℃、1 C倍率下的dQ/dV曲线；（j）50℃、5 C倍率下的循环性能；（k）对比多维度电化学性能指标的雷达图。
图4展示了提升高温性能的电解质涂层设计与验证结果。研究受耐热矿物启发，通过球磨法在硫化物电解质颗粒表面构建了均匀的MxOy（如SiO2）纳米涂层。电化学测试表明，SiO2涂层显著提升了电池的高温性能：在5 C和50 °C下，放电容量提升了50%（达到110.7 mAh g⁻¹），且在1C下循环500次后容量保持率（81%）远优于未涂层样品。雷达图综合展示了涂层在倍率、循环寿命等多维度的全面优势。
图5. LPSC1.5@SiO2/NCM电池循环过程中界面的电-化学-机械演化。(a，b)DRT曲线及相应的2D强度分布图；（c，d）50℃、1 C倍率下循环1次及200次后的XPS；（e）ToF-SIMS图像及（f）界面反应产物的定量比例；（g）TEM图像；（h）典型横截面SEM图像；（i，j）第1、10、50和100次循环的电阻演变。
图5深入阐释了SiO2纳米涂层的作用机理。原位阻抗和DRT分析表明，涂层电池的界面电荷转移过程更加稳定、均一。XPS和ToF-SIMS结果证实，涂层有效抑制了界面氧化，使循环后电解质中原始PS43-物种的保留率高达74%（未涂层仅26%）。HRTEM和SEM显示涂层电池的界面结构完整性更好，岩盐层更薄。Nyquist拟合分析进一步量化了涂层对抑制界面阻抗增长（电荷转移电阻R3）的关键作用。
本研究阐明了以NCM为正极的LPSC1.5基全固态电池的温度依赖性衰减机制，并提出了一种有效的硫化物电解质界面稳定策略。研究发现存在明显的机理转变：在25°C下，容量衰减主要由正极开裂与界面剥离导致的活性材料损失主导；而在50°C时，性能衰减则由加速的界面氧化反应引起的活性锂损失主导。受天然矿物结构本征热稳定性的启发，本研究通过简易的球磨法在硫化物电解质表面构建了共形MxOy纳米涂层。以SiO2作为代表性模型，包覆后的LPSC1.5展现出优异的高温性能，在5倍率下的放电容量比未包覆电池提高50%，并在50°C下循环1000次后仍保持76.69%的容量。该热稳定的SiO2层可作为电子阻隔而离子可渗透的屏障，有效抑制界面氧化还原反应，维持电池的电化学-机械完整性。本工作不仅阐明了硫化物基全固态电池温度依赖性衰减的根源，也为开发具有热稳定性、适应宽温域应用的固态电池建立了普适的界面设计原则，适用于实际高性能储能领域。
Designing high-temperature-stable sulfide electrolytes with thermally stable nanocoatings: insights from interfacial degradation mechanisms
Hong Yu, Wenjin Li, Ruonan Zhang, Shiming Huang, Qingmei Xiao, Cheng Liu, Beisen Chen, Puxi An, Guangliang Gary Liu*
J. Energy Chem., 2026.
DOI:10.1016/j.jechem.2026.05.029
通讯作者：刘光良
深圳大学材料科学与工程学院特聘教授、博士生导师、国家级人才、深圳市海外高层次人才（A类）。在国际公司研发和工程部门科研和管理岗位工作20年，有统筹和管理跨国技术团队和科研项目的经验。长期从事颗粒技术研究并运用颗粒技术进行产品开发和开展工艺设计，多次成功地把实验室的研究成果通过中试量产转化成商业化产品。目前研究方向主要致力于开发不同特性的微纳米颗粒材料，应用于新能源电池、半导体、先进高分子复合材料等前沿领域。
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