...與工程學院劉河洲團隊段華南副研究員在固態鋰電池領域取得新突破

2020-11-21 上海交通大學新聞網

近日，上海交通大學材料科學與工程學院/金屬基複合材料國家重點實驗室劉河洲團隊段華南副研究員領導的小組在知名期刊《Advanced Functional Materials》（2018年影響因子15.621）上發表了題為「Intrinsic lithiophilicity of Li-garnet-electrolytes enabling high-rate lithium cycling」的學術論文。論文的第一作者是材料學院碩士生鄭鴻鵬，通訊作者為段華南副研究員。

固態鋰電池有望解決傳統鋰離子電池中比能量與安全性之間的矛盾被認為是下一代鋰電池的主要發展方向之一。固體電解質為其中的關鍵材料。在諸多固體電解質材料體系中，石榴石型固體電解質（LLZO）以其高的離子電導率、良好的化學和電化學穩定性而備受關注。然而LLZO/Li界面阻抗過高是急需解決的難題之一。本工作中，段華南等人通過表面處理獲得了Li和LLZO之間優異的潤溼性能（圖一）。室溫下，LLZO/Li界面電阻僅為6.95 ohm cm2；在0.1mA cm-2電流密度下，鋰鋰對稱電池實現了950小時的長時間循環。優異的界面潤溼性也將臨界電流密度（CCD）提高至13.3mA cm-2，高出同行一個數量級！且電化學恆流循環過程沒有出現任何短路的跡象（圖二）。同時結合飛行時間-二次離子質譜（ToF-SIMS）等多種先進表徵手段以及第一性原理計算（與密西根學院朱虹老師合作），對其機理做出了解釋。此工作是LLZO/Li界面研究的一次突破，顯著提高了此界面的穩定性和電流密度，在固體電解質的應用上邁出重要的一步。

（a-b）經過表面處理之後的LLZO/Li的界面電鏡圖；（c-d）未經過任何處理的LLZO/Li界面電鏡圖；（e）兩種不同方法下潤溼狀態實物對比圖。

（a）Li/LLZO/Li對稱電池在室溫條件下的極限電流密度測試圖；（b-c） 對稱電池在不同條件下的循環性能圖。

自從2013年以來，段華南小組一直致力於鋰離子固體電解質的合成、性能和應用研究，先後在Journal of Power Sources、ACS Applied Materials & Interfaces、Electrochimica Acta、Solid State Ionics和Angewandte Chemie (International Edition)上發表一系列學術論文。

該工作得到了國家自然科學基金（11304198和51972211），國家重點研發計劃（2017YFB0701900），上海交通大學材料基因工程聯合研究中心項目（15X190030002）以及上海交通大學SMC-晨星優秀青年教師（B類計劃）（15X100080047）等的資助。

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201906189

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