科學家實現硫化物基固態電池界面鋰傳輸的原位可視化和內電場調控

2020-10-26 中科院之聲

採用硫化物固態電解質的固態電池具有高安全、高能量密度、長循環壽命等優勢，預計將比現有電池更輕、更持久、更安全、更便宜，被認為是下一代動力電池的發展方向之一。然而，硫化物固態電解質的界面電荷傳輸困難和界面穩定性差等問題制約電池的安全性、能量密度、循環壽命和快充性能，導致固態電池的產業化面臨阻礙。因此，需發展界面高速傳輸和界面穩定化等固態電池關鍵技術，推動硫化物固態電池的發展。

中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領的固態能源系統中心團隊，聚焦動力電池發展的重點問題，發展硫化物固態電池界面高速傳輸和穩定化關鍵技術，取得重要成果，為解決固態電池產業化發展的難題奠定研究基礎。2017年，通過仿生模擬設計一種聚合物導電纖維增韌技術，提高硫化物電解質的斷裂強度；2018年，基於剛柔並濟的設計理念，利用聚碳酸亞乙烯酯-Li10SnP2S12超分子化學作用，發展原位聚合一體化固態電池技術，獲得比容量和循環性能優異的LiFe0.2Mn0.8PO4基室溫固態鋰電池（ACS Applied Materials & Interfaces2018, 10, 13588-13597）；2019年，在認識有機無機複合電解質鋰傳輸機制和構效關係的基礎上，設計具有三維雙連續導電相的聚合物-硫化物複合電解質，提出並發展離子和電子傳輸通道的原子尺度原位生成技術，實現電子、離子快速傳輸（室溫離子電導率可達10-3S cm-1數量級以上），為開發高安全、高容量、快速充放電的固態鋰電池提供技術支撐。

近日，青島能源所崔光磊、副研究員馬君與天津理工大學博士李超、教授羅俊，中科院物理研究所研究員谷林合作，採用原位掃描透射電鏡差分相襯成像技術，實現鈷酸鋰/硫化物電解質界面鋰離子傳輸的可視化研究，並通過設計製備具有非連續分布鈦酸鋇（BaTiO3）納米單晶顆粒的界面結構，證明一種新型的內建電場和化學勢耦合技術改善界面鋰傳輸的可行性，為改善界面鋰離子傳輸和提升電池快充性能提供新的技術方案。基於此，從超分子化學和界面構效關係的角度加深硫化物固態電池的科學問題理解，為理性設計高能量密度固態鋰金屬電池和解決其技術難題提供方案（Advanced Materials 2019, 31, 1902029；Matter2020, 2, 805-815）。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項、山東省科學技術廳等的支持。

圖.（a）原位掃描透射電鏡差分相襯成像技術工作原理示意圖；（b）鈷酸鋰/硫化物固態電解質界面鋰傳輸行為的原位掃描透射電鏡差分相襯成像結果；（c）內建電場和化學勢耦合技術改善界面鋰傳輸機制示意圖

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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