14.6 mAh/cm²！庄小东/朱金辉最新Nature子刊！

在基于硫化物的全固态锂电池中，对富镍层状氧化物正极进行包覆对于提升其电化学性能至关重要，但实现兼具成本效益与高性能的正极仍面临挑战。
2025年10月27日，上海交通大学庄小东、朱金辉在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Conductive binary Li borate glass coating for improved Ni-rich positive electrode in sulfide-based all-solid-state Li batteries》的研究论文，Jiayao Luo、Bangjun Guo为论文共同第一作者，庄小东、朱金辉为论文共同通讯作者。

本研究采用一种简单的干法工艺并辅以热处理，在单晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2表面构筑了一层约3 nm厚的导电二元锂硼酸盐玻璃包覆层（0.5Li2O·0.5B2O3）。该包覆正极在20 mA g-1的比电流下可提供209 mAh g-1的比容量，首次库仑效率达79.7%；在200 mA g-1的比电流下循环1000次后容量保持率为87.8%，并实现14.6 mAh cm-2的面容量。采用该正极的软包电池能量密度达383 Wh kg-1，可在66.67 mA g-1的比电流下稳定循环300次。

多种表征手段证实，该包覆层可促进锂离子传输、稳定正极晶格，并增强正极与硫化物电解质之间的界面稳定性。本研究表明，导电玻璃包覆层能够使高电压正极在全固态电池中实现高稳定性与高比能量。

图1：NCM@LOBO的制备与表征。图1a：展示了NCM@LOBO的制备流程，包括干法球磨混合Li2O与B2O3、加入NCM再次球磨，最后经600°C煅烧形成LOBO包覆层。图1b–c：XPS深度剖析显示Li 1s与B 1s信号仅在表面存在，5 nm深处消失，确认包覆层厚度小于5 nm。图1d：截面SEM图像显示NCM@LOBO颗粒结构完整。图1e–g：HRTEM与HAADF-STEM图像显示LOBO为非晶态薄膜，厚度约3 nm，NCM晶体结构保持完整。图1h：元素分布图显示B元素均匀分布在NCM表面。

图2：NCM@LOBO与b-NCM的电化学性能对比。图2a：首次充放电曲线显示NCM@LOBO-0.3%具有最高容量（209 mAh g-1）与首效（79.7%）。图2b：循环稳定性测试显示NCM@LOBO-0.3%在100次循环后容量保持率达94.3%，远高于b-NCM（51.1%）。图2c：倍率性能测试显示NCM@LOBO-0.3%在不同电流密度下均表现最佳。图2d–e：在200 mA g-1下循环1000次后，NCM@LOBO-0.3%容量保持率为87.8%，显著优于其他样品。图2f–g：面容量测试显示NCM@LOBO在80.3 mg cm-2负载下达到14.6 mAh cm-2，并具有良好的循环稳定性。图2h：与文献报道的其他涂层材料相比，NCM@LOBO的面容量显著更高。

图3：NCM@LOBO与b-NCM的本征电化学性质。图3a：离子电导率（σi）测试显示NCM@LOBO为8.9 mS cm-1，高于b-NCM（5.0 mS cm-1）。图3b：电子电导率（σe）测试显示NCM@LOBO显著低于b-NCM，表明其抑制电解质分解能力更强。图3c–d：GITT测试表明NCM@LOBO的Li+扩散系数（1.14×10-8 cm2 s-1）高于b-NCM（4.37×10-9 cm2 s-1）。图3e–f：示意图展示LOBO包覆层促进Li+传输并抑制SSE分解的机制。

图4：初始循环中正极界面演化过程。图4a：原位EIS显示NCM@LOBO在首次充放电中界面阻抗变化更小，界面更稳定。图4b–c：DRT分析揭示NCM@LOBO的电荷转移阻抗变化更小，表明其界面反应更温和。图4d–g：XPS分析显示NCM@LOBO中LPSC氧化产物更少，表明其有效抑制电解质氧化。图4h：原位拉曼光谱显示LPSC中PS43-结构在NCM@LOBO中更稳定，氧化还原反应可逆性更好。

图5：长期循环后正极界面演化。图5a–b：SEM图像显示NCM@LOBO循环后表面光滑无裂纹，而b-NCM出现明显裂纹与孔隙。图5c–d：TEM图像显示NCM@LOBO形成均匀致密的CEI层，而b-NCM的CEI层粗糙且不均匀。图5e–h：XPS分析显示NCM@LOBO中LPSC分解产物更少，表明其界面稳定性更高。图5i–l：XANES与EXAFS分析显示NCM@LOBO中Mn价态与结构更稳定，而b-NCM中Mn发生还原，结构退化。

图6：软包电池性能验证。图6a：展示Li/μ-Si|LPSC|NCM@LOBO软包电池结构。图6b：在10 mA g-1下，电池比容量为204 mAh g-1，能量密度达383 Wh kg-1。图6c：在66.67 mA g-1下循环300次后容量保持率为80%，平均库仑效率超过99.5%。

本研究通过干法工艺在单晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM）正极表面构筑了一层约3 nm厚的导电二元锂硼酸盐玻璃（0.5Li2O·0.5B2O3，LOBO）包覆层，显著提升了富镍正极在硫化物全固态锂电池中的电化学性能。该包覆层不仅提高了锂离子传导能力、降低了电子传导性，还稳定了正极/电解质界面，抑制了电解质的分解，诱导形成了致密且稳定的正极电解质界面（CEI）。

在实验条件下，NCM@LOBO正极表现出优异的比容量（209 mAh g-1）、循环稳定性（1000次循环后容量保持率达87.8%）、高面容量（14.6 mAh cm-2）以及高能量密度（383 Wh kg-1），并在软包电池中实现了300次稳定循环。

该研究的重要意义在于提出了一种简单、低成本、可扩展的干法包覆策略，有效解决了硫化物全固态电池中高电压富镍正极界面不稳定、容量衰减快等关键问题。LOBO包覆层兼具高离子导电性和低电子导电性，兼顾了界面稳定性与电化学活性，为开发高性能全固态锂电池提供了新思路。其应用前景广阔，尤其适用于对能量密度、安全性和循环寿命要求极高的电动汽车、储能系统等领域，具有推动全固态电池产业化进程的重要潜力。

Conductive binary Li borate glass coating for improved Ni-rich positive electrode in sulfide-based all-solid-state Li batteries.

Nature Communications