上海矽酸鹽所固態電解質陶瓷材料研究獲進展

2020-11-09 光明網

固態電解質陶瓷是構築固態鋰金屬電池的核心材料，能夠解決液態電解液引起的燃燒爆炸等安全問題。其中，石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）固態電解質具有高室溫離子電導率（10-3 S·cm-1）和對鋰金屬的穩定性，被廣泛應用於固態電池研究。然而，LLZO易與空氣中的水和二氧化碳反應，在表面生成離子絕緣的Li2CO3層，造成大的界面阻抗，阻礙LLZO基固態鋰金屬電池的應用推進。此外，固態電解質沒有浸潤性，不能像液態電解質一樣浸入正極去構築離子傳輸通道，從而導致正極內部離子傳輸阻塞。因此，需要設計新方法以增強LLZO空氣穩定性，並通過構築離子傳輸通道來實現鋰離子在正極內部的快速均勻傳輸。

以消除石榴石型LLZO表面惰性Li2CO3並增強鋰離子在正極內部的傳輸速率為目標，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員張濤團隊提出基於表面鋰供體反應的固態電解質陶瓷材料製備及固態正極內部界面適配策略。利用LLZO粉體近表面層及其表Li2CO3、LiOH等自發反應惰性層作為鋰供體，提供反應鋰源，與特定金屬氧化物反應，在LLZO表面生成空氣穩定的活性功能衍生層，從根源上解決了石榴石型固態電解質空氣穩定性差的問題。研究人員將其適配正極活性物質，實現鋰離子在正極內部的快速均勻擴散，降低極化電壓，提高電池的循環性能。相關研究成果以On-surface Lithium Donor Reaction Enables Decarbonated Lithium Garnets and Compatible Interfaces within Cathodes為題，發表在Nature Communications上。上海矽酸鹽所在讀博士研究生楊亞南為論文第一作者，張濤為論文通訊作者。

該研究從金屬氧化物Co3O4出發，通過兩步固相燒結法，實現Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 （LLZTO）表面惰性Li2CO3向活性LiCoO2的轉化。其中鋰供體反應技術的關鍵在於在一次燒結中LLZTO內部晶格鋰及其表面Li2CO3同時作為鋰源，參與化學反應合成LiCoO2，但由於內部鋰的缺失，造成鋯酸鑭雜相。為消除雜相，研究人員通過二次燒結補充額外鋰源（Li2O），將鋯酸鑭缺鋰相還原回LLZTO結構，從而製備出純淨的LLZTO包覆LiCoO2（LLZTO@LCO）材料。該鋰供體反應技術還可拓展應用於合成其他LLZTO@功能層材料，研究已製備出LLZTO@LiMn2O4材料。製備的LLZTO@LCO複合材料具有更好的離子傳輸性能，以及較好的空氣穩定性，空氣條件下暴露四個月未見Li2CO3產生。將其作為離子導體匹配商業LiCoO2活性材料製備複合正極（LCO-LLZTO@LCO），圍繞LLZTO@LCO顆粒構築高速離子傳輸通道，加鋰離子在正極內部的縱向傳輸，同時得益於正極內部顆粒間界面的適配，實現鋰離子在整個正極的快離子傳輸。基於LCO-LLZTO@LCO複合正極組裝的固態鋰金屬電池在室溫下穩定循環180圈，極化電壓低於0.08 V，容量保持81%，固態電池室溫電化學性能提高。

相關研究工作得到國家自然科學基金的支持。

（a）鋰供體反應技術示意圖；（b）LLZTO表面Li2CO3向LiCoO2轉化過程示意圖

來源： 上海矽酸鹽研究所

相關焦點

  • 上海矽酸鹽所研製出多功能黑色生物活性陶瓷材料
    近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得進展。該研究團隊通過對傳統的白色生物活性陶瓷材料（矽酸鹽和磷酸鹽等）進行熱還原處理，研製出新一代「黑色生物活性陶瓷」，將傳統生物活性陶瓷材料的應用領域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。
  • 上海矽酸鹽所在固態電池界面激活研究中取得重要進展
    摻雜的石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）固態電解質，由於不存在氧化還原活性元素（例如Ti、Ge）而具有陽極穩定性優於其他氧化物（例如NASICON型Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3和鈣鈦礦型Li0.33La0.56TiO3）的優勢。然而，考慮到自然形成的Li2CO3對陶瓷顆粒的鈍化作用，鋰金屬和石榴石型電解質之間的界面問題仍然存在，這導致LLZO表面的潤溼性差並且界面電阻大。
  • 上海矽酸鹽所氫化藍色二氧化鈦光催化還原二氧化碳研究獲進展
    上海矽酸鹽所氫化藍色二氧化鈦光催化還原二氧化碳研究獲進展 2017-12-26 上海矽酸鹽研究所 中 小】 語音播報 　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室光電轉換材料與器件研究課題組
  • 上海矽酸鹽所等在n型高性能類金剛石結構熱電材料研究中獲進展
    上海矽酸鹽所等在n型高性能類金剛石結構熱電材料研究中獲進展 2018-01-10 上海矽酸鹽研究所  　　近日，上海矽酸鹽所副研究員仇鵬飛，研究員史迅、陳立東與上海大學教授楊炯等合作，發現了一種具有本徵極低晶格熱導率和
  • 上海嘉定區委考察上海矽酸鹽所嘉定園區
    11月19日，上海嘉定區委副書記、區長杲雲一行來到中國科學院上海矽酸鹽研究所嘉定園區考察。　　杲雲一行先後參觀了綠色光電轉換技術研發項目部、碳化矽晶體項目部、BGO晶體研發與生產線、碳化矽陶瓷及複合材料實驗室、中科院特種無機塗層重點實驗室以及嘉定新園區二期建設工地，認真聽取科研人員的介紹，詳細了解項目進展情況，與所領導和科研人員深入交流加快推進上海市戰略新興產業有關工作的建議與措施。
  • 上海矽酸鹽所、清華大學、天津大學、華東理工大學聯合舉辦
    5月18日至19日，中國科學院上海矽酸鹽研究所、清華大學、天津大學、華東理工大學本著促進學術交流、攜手共同發展的宗旨在北京白鷺園會議中心召開材料學科學術交流研討會。此次研討會是繼去年上海矽酸鹽所承辦的第一屆與清華大學材料系雙邊學術交流會後，雙方的第二次交流，參與單位擴大至天津大學和華東理工大學。
  • 上海矽酸鹽所等在新化合物合成方面取得系列進展
    相關研究成果以Honeycomb RhI3 Flakes with High Environmental Stability for Optoelectronics為題發表在Advanced Materials上，論文共同第一作者為華中科技大學博士研究生王發坤和上海矽酸鹽所博士研究生張壯，共同通訊作者為上海矽酸鹽所研究員黃富強和華中科技大學教授翟天佑。
  • 上海矽酸鹽所等在有機電極材料設計方面取得進展
    有機電極材料由於其環境友好、儲量豐富、結構多樣，引起越來越多的關注。目前鈉離子電池中傳統有機電極材料大多數是共軛化合物，可通過官能團和共軛環內的單雙鍵重排機制實現電子穩定存儲。然而，國內外關於非共軛電極材料的儲鈉機制研究還是空白，若可將共軛化合物擴展到非共軛化合物，不僅可以拓展有機電極材料種類，還可以提高有機電極材料活性、豐富鈉離子存儲機制。
  • 上海矽酸鹽所：薪火相承一甲子 材料築夢新時代
    她就是我國無機材料領域歷史最悠久、學科門類最齊全的研究機構——中國科學院上海矽酸鹽研究所（以下簡稱上海矽酸鹽所）。上海矽酸鹽所淵源於1928年成立的中央研究院工程研究所（以下簡稱工程所）。1959年獨立建所後，上海矽酸鹽所先後開創了我國結構陶瓷、功能陶瓷、人工晶體、特種無機塗層、特種玻璃以及無機非金屬材料分析測試與表徵等多個研究領域，為我國先進無機材料科學技術的發展作出了開拓性貢獻——率先開展高溫氧化物陶瓷研究。
  • 新型鐵電陶瓷研究獲進展
    鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電速度快、貯存性能穩定等特點，在近代科學和高新技術領域中具有重要應用。傳統鐵電材料中鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）系列是應用面最廣的鐵電材料，也是目前國際上公認的、實現能量存儲和爆電換能的理想材料。
  • 上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展
    上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展 2020-05-26 上海矽酸鹽研究所 【字體：>AKN），該材料比目前所用的含鉛鐵電陶瓷具有更高的能量存儲密度和更好的溫度穩定性，可用於能量存儲和爆電換能。
  • 上海矽酸鹽所在鈮酸銀基陶瓷材料研究中獲進展
    鈮酸銀（AgNbO3）陶瓷材料具有類反鐵電的雙電滯回線和高的極化強度（~50 μC cm-2），從而具有較大儲能密度，在電介質儲能等領域展現出較好的應用前景，近年來受到越來越多的關注。然而，AgNbO3材料自身固有的亞鐵電性以及反鐵電-鐵電相變引起的回滯效應導致能量損耗較大，難以同時實現高的儲能密度和儲能效率，成為制約該材料在儲能領域應用的關鍵。近期，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員董顯林和研究員王根水團隊提出一種提高AgNbO3反鐵電材料儲能特性的新思路，實現了儲能密度和儲能效率的同步提升。
  • 高離子電導率硫化物固態電解質的空氣穩定性研究進展
    但是硫化物固態電解質較差的空氣穩定性導致其製備以及後續組裝的硫化物固態全電池需要在氬氣保護的環境下進行操作, 使得生產成本居高不下, 嚴重製約其產業化的步伐.北京理工大學楊文和陳人傑教授對硫化物固態電解質空氣穩定性的相關研究包括空氣穩定性的研究方法和衰減反應機制進行詳細的梳理和客觀分析, 並提煉出提高硫化物固態電解質空氣穩定性相應的策略與方法.
  • 我國科學家陶瓷基鋰氟轉換固態電池研究取得進展
    其中陶瓷基石榴石型（Garnet-type）固態電解質是很好的選擇，近年來出現的摻雜鋰鑭鋯氧(Li7La3Zr2O12，LLZO)固態電解質具有室溫離子電導率高、合成工藝簡單、電化學穩定窗口寬、無氧化還原活性元素等優點，是陶瓷基固態電解質的主要候選。
  • 固態電池研究綜述(2020.7-2020.11)
    此外，基於上述研究進展，團隊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關鍵科學問題理解，並且為理性設計高能量密度固態鋰金屬電池和解決其技術瓶頸提供了建設性方案。　　　　Chemical Reviews：固態電池中鋰負極的物理化學概念　　開發高倍率可逆鋰金屬負極是當前電池研究的中心目標之一。鋰金屬負極不僅是開發鋰-空氣或鋰-硫電池等創新電池所必需的，而且還可以匹配插入式正極來提高電池的能量密度。固態電解質可以充當機械屏障，避免鋰通過電池產生不必要的枝晶生長，其使用更有希望開發出性能良好的鋰金屬負極。
  • 反鐵電陶瓷研究獲進展
    反鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電電流大和放電速度快等優點，是新一代高性能脈衝電容器的重要候選材料。深刻理解反鐵電陶瓷的物理本質和構效關係對研發高性能反鐵電陶瓷電容器具有重要意義。中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員董顯林、王根水帶領的研究團隊前期在反鐵電陶瓷的組成設計、性能調控、工程應用等方面已開展了大量富有成效的研究工作。
  • 進展|全固態鋰電池關鍵固態電解質材料與金屬鋰負極的熱穩定性研究
    然而，目前針對全固態電池安全性的研究工作相對較少，對全固態電池的安全性的認識也不夠深入。中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組陳汝頌博士生在禹習謙研究員和李泓研究員的指導下，利用絕熱加速量熱（ARC）技術研究了幾種主要氧化物固態電解質與金屬鋰的熱穩定性，發現除石榴石型固態電解質LLZO外，其他固態電解質與金屬鋰接觸後在加熱升溫過程中均發生不同程度的熱失控。
  • 上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展---中國科學院
    上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展 2020-10-20 上海矽酸鹽研究所 【字體：　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所副研究員李慧和研究員陳立東利用功能基元隨機共聚策略，將給-受體型構築單元和聯噻吩單元通過Stille偶聯反應共聚，獲得一系列新型導電高分子，實現摻雜效率和遷移率的協同優化，為高性能聚合物熱電材料的結構設計提供新方案。
  • 上海矽酸鹽所染料敏化太陽能電池技術成果實現轉移
    此次合作中，染料敏化太陽能電池關鍵材料及器件技術將整體轉讓給深圳光和精密自動化有限公司，轉讓費共計人民幣1億元，上海矽酸鹽所技術團隊提供三年的技術支持。轉讓後，該項目將在上海嘉定設立集團總部及研發中心，推進現有成套技術規模放大和產業化推廣，並將選擇合適的地點設立生產製造基地，在智能建築、智能交通、物聯網和分布式能源等領域推進染料敏化電池的應用和規模產業化，並將繼續開展新型寬光譜響應太陽能電池研究。
  • 固態鋰電池電極-電解質接觸問題的研究取得重要進展
    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。