固態鋰電池電極-電解質接觸問題的研究取得重要進展

2020-11-22 中國科大..

中國科學技術大學馬騁教授課題組和清華大學南策文院士團隊在鋰電池固態電解質的研究上取得重要進展。研究者使用球差校正透射電鏡對固態電解質和電極材料的界面進行觀測，發現富鋰層狀結構的正極和鈣鈦礦結構的固態電解質之間可以形成外延界面。利用這一現象，研究者製備了倍率性能可與傳統漿料塗覆正極相比的複合正極，為克服固態電池中電極-電解質接觸差這一瓶頸提供了新思路。相關研究成果以」Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries」 為題發表在Cell Press旗下的材料學旗艦期刊《Matter》上（DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.004）。論文的第一作者是我校碩士研究生李富振同學。


傳統鋰離子電池由於使用易燃且電化學窗口有限的有機液態電解質，普遍存在易燃、能量密度難以進一步提升等問題。相比於有機液態電解質，固態電解質大多不可燃，可以降低甚至消除電池起火的風險，同時具有更寬的電化學穩定窗口, 允許使用更高電壓的正負極組合以提升電池的能量密度。近年的研究已發現了許多性能卓越的固態電解質。然而，主流電極材料也是固態物質。如果將液態電解質替換為固態電解質，那麼電極和電解質之間將難以形成像固-液界面那樣緊密充分的接觸，嚴重影響鋰離子在電極和電解質間傳輸的效率。這一瓶頸是固態電池最難克服的挑戰之一。


 

球差校正透射電鏡的觀測為解決這一問題提供了新思路。研究人員在使用電鏡研究鈣鈦礦結構固態電解質Li0.33La0.56TiO3時，發現富鋰層狀氧化物這一高性能電極材料的結構可以與鈣鈦礦這一被廣泛研究的固態電解質的結構間形成外延生長的界面，從而在原子尺度形成緊密、充分的固-固接觸。研究者進一步對兩者間外延界面進行深入分析，發現界面處每15個原子面就會形成一個錯配位錯，釋放積累的應變。這一機制導致了此外延界面的形成並不要求電極和電解質具備相近的晶格尺寸，而是可以廣泛發生於多種層狀結構材料與鈣鈦礦結構材料體系之間。隨後, 研究人員將這一結論用於實際的材料製備中，以層狀電極材料0.54Li2TiO3-0.46LiTiO2晶體為模板將非晶Li0.33La0.56TiO3進行結晶製備出了原子級界面結合的電極-電解質複合正極材料，並對其進行了性能表徵。結果顯示此方法製備的固-固複合電極中活性物質與電解質之間結合充分程度接近固-液接觸，並且其倍率性能也不亞於傳統漿料塗覆技術製備的固-液複合物電極。該方法的提出為克服固態電池中電極-電解質接觸差這一瓶頸提供了新思路。


上述研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學技術大學創新團隊培育基金等項目的資助。


論文連結: 

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3


（化學與材料科學學院、科研部）


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