本文利用基于密度泛函理論的計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間勢(shì)，對(duì)全固態(tài)LSB中正極-電解質(zhì)界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面研究。
鋰硫電池（LSB）是最有前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一，因?yàn)槠涑杀镜?，硫?chǔ)量高。然而，多硫化物穿梭及其相應(yīng)的容量衰減問題是其商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。采用固態(tài)電解質(zhì)（SE）取代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)是一個(gè)潛在的解決方案。
加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校王學(xué)彬、魯爾基理工學(xué)院Swastika Banerjee等利用基于密度泛函理論的計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間勢(shì)，對(duì)全固態(tài)LSB中正極-電解質(zhì)界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面研究。
圖1. 用于界面MTP開發(fā)的被動(dòng)和主動(dòng)學(xué)習(xí)流程圖
總的來說，預(yù)測(cè)顯示，充電后的S8正極比完全放電的Li2S正極的反應(yīng)性要強(qiáng)得多。此外，預(yù)測(cè)表明，在幾種主要的固態(tài)電解質(zhì)（氧化物、硫化物、氮化物和鹵化物）中，硫化物SE通常對(duì)S8正極最穩(wěn)定，而其他SE化學(xué)成分則高度電化學(xué)不穩(wěn)定。如果由于其他原因需要使用其他的SE，一些二元和三元的硫化物（例如LiAlS2、Sc2S3、Y2S3）被預(yù)測(cè)為優(yōu)秀的緩沖層。
圖2. 基于不同電解質(zhì)/電極的反應(yīng)能（左）和體積變化百分比
最后，作者利用主動(dòng)學(xué)習(xí)方法開發(fā)了一個(gè)精確的機(jī)器學(xué)習(xí)原子間勢(shì)（ML-IAP）來研究S8|β-Li3PS4界面。大型界面模型（>1000s原子）的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬顯示，最穩(wěn)定的Li3PS4（100）表面傾向于與S8形成具有二維通道和較低鋰擴(kuò)散激活障礙的界面。總體而言，這些結(jié)果為下一代全固態(tài)LSB的正極-電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的新見解。
圖3. α-S8的電化學(xué)反應(yīng)能（左）和相應(yīng)的體積變化（右）
Thermodynamics and Kinetics of the Cathode–Electrolyte Interface in All-Solid-State Li–S Batteries. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c07482
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