为了匹配金属负极的高容量，所有固态电池都需要高能量密度、长循环的复合正极，如与固态电解质混合的镍−锰−钴（NMC）基锂氧化物。然而在实践中，正极容量通常会因NMC开裂而衰减，并因NMC粉碎而导致NMC与固态电解质界面剥离，而在循环过程中施加高电压只能部分缓解这种情况。
在本项工作中，来自牛津大学的学者报道了一种单晶颗粒LiNi0.83Mn0.06Co0.11O2和Li6PS5Cl固态电解质复合的正极材料，其在30°C时的放电容量为210mA h g−1，尽管在循环过程中体积变化为5.5%，但其首次库仑效率大于85%，之后大于99%。使用仅为2.5MPa/0.2 MPa的不对称负极/正极循环压力时，材料的面容量为8.7mA h cm−2，接近实际放电容量。相关论文以题为“High Energy Density Single-Crystal NMC/Li6PS5Cl Cathodes for All Solid-State Lithium-Metal Batteries”发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c07952
全固态电池通过避免使用易燃液态电解质，为传统锂离子电池提供了一种更安全的替代品，且因为石墨负极被锂金属负极替代，其能量密度有可能提高70%。为了平衡金属锂负极的容量，需要一个厚的（50−200μm）复合正极，包括电化学活性材料和无机固态电解质的混合物，例如具有高离子电导率的硫化物或氧化物，目前所有固态电池面临的一个关键挑战是实现并保持复合正极材料中的活性材料与固态电解质之间的紧密界面接触和电化学稳定性。氧化物基固态电解质通常具有较宽的电化学稳定窗口，但硬度高且耐变形；相比之下，即使在室温下，硫化物也具有相对较低的流动应力，并且可以通过在制备和/或循环过程中施加外部压力来调整使其与活性颗粒紧密接触，在硫化物中，Li6PS5Cl（LPSCl）被认为是一种很有前途的候选材料，因为它具有较高的离子导电性，并且能够在与Li的界面上形成相对稳定的钝化层。
锂镍锰钴氧化物（NMC）是一种很有前途的锂离子电池高能量密度正极材料，其放电容量大于200mAhg−1，然而当用于全固态电池时，基于NMC的复合正极通常显示出放电容量不足，活性材料和固态电解质之间的粉碎及逐渐丧失接触导致容量迅速衰减，此外，开裂不仅可能发生在电池循环过程中，而且也可能发生在电池制造过程中，因为在电池制造过程中，为了减少或消除复合正极孔隙率，经常使用大于100MPa的压力。因此，复合正极在制造和使用期间所经历的压力和应变与活性材料/固态电解质界面的完整性和弹性之间存在复杂的相互作用，而活性材料/固态电解质界面反过来又影响材料的容量和循环寿命。
与多晶NMC粒子相比，使用单晶NMC颗粒的正极在锂离子电池中显示出相对良好的循环性，这归因于单晶NMC颗粒在混合和致密化过程中表现出更强的稳定性，在充放电过程中更各向同性的体积膨胀，而多晶NMC颗粒在加工过程中首先出现晶间裂纹，然后在循环过程中由于各向异性体积膨胀而出现裂纹。尽管单晶NMC基正极材料的循环性能优于多晶NMC基正极，但首次循环的库仑效率仅为74%，显著低于传统锂离子电池的首周库伦效率（89%）。
同时作者针对全固态电池研究了单晶NMC基正极材料，NMC中的镍含量相对较高时，体积膨胀/收缩相对较高，单晶NMC/LPSCl正极的首次放电容量大于205mA h g−1，首效超过85%；而镍含量相对较低时，放电容量相对降低，但可以减小循环过程中引起的体积变化，循环性能更好。（文：李澍）
图1单晶NMC颗粒的(a)SEM图和(b)相应的粒度分布；(c-f)不同条件下LPSCl颗粒的SEM图和XRD图谱
图2 (a)电池制备过程示意图；电池组装后和循环前单晶NMC/LPSCl复合正极的(b)截面图和(c)EDX元素图谱
图3 (a-b)单晶NMC/LPSCl复合正极的充放电曲线；(c)循环前电后的非原位XRD光谱;(d）充电后单晶NMC/LPSCl界面的截面图
图4单晶NMC/LPSCl复合正极在不同条件下的充放电曲线
图5 (a)不对称传感器设置用于降低正极压力，同时保持负极压力；单晶NMC/LPSCl复合正极的(b)电压容量曲线和(c)不同电压下的容量衰减；（d）不同温度下富镍复合正极的放电容量对比
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