近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究室研究員方前鋒課題組通過設計非對稱結構固態電池，研究了鋰離子在固態電池中的沉積及傳輸規律，為探究全固態鋰電池中鋰枝晶的生長及抑制機理提供了重要參考。相關研究成果以Intragranular growth and evenly distribution mechanism of Li metal in Li7La3Zr2O12 electrolyte 為題發表在Journal of power sources上。
鋰離子電池能量密度高、穩定性強、循環壽命長，作為一種商業化的高效儲能器件得到了廣泛應用。然而，由於商用鋰離子電池中使用易燃的有機電解液，當電池處於高溫、短路、過充或者物理損傷等狀態時，極易引發火災甚至爆炸。所以使用不可燃的無機固態電解質代替液態電解液，是解決鋰電池安全性問題最為有效的方法之一。然而，由於鋰離子在負極沉積過程中，會自發形成樹枝狀的鋰枝晶，其尖銳結構容易刺破隔膜，導致電池短路，造成安全隱患。因此，採用無機固態電解質取代液態有機電解液，並有效抑制充放電過程中鋰枝晶的生長，可較好地解決鋰離子電池的安全問題，而正確認識鋰離子在固態電池中的沉積及傳輸過程，對於抑制鋰枝晶生長，防止電池短路至關重要。
為此，科研人員通過將電解質兩側金屬鋰電極設計成互為垂直結構，構築了非對稱結構的固態電池（圖1a），通過觀察鋰在電解質表面沉積狀態來推斷鋰離子在電解質內部的傳輸過程。同時，在電解質表層中心區域濺射Au原子層，通過與未濺射Au原子層區域相比較，獲取Au原子層對鋰離子沉積的影響規律。研究結果表明，電解質表層的電子分布狀態會直接影響電解質內鋰離子的傳輸路徑（圖1b），使得來自電解質上表層的鋰離子在電解質內呈發散狀傳輸。進一步分析發現，在未濺射Au濺射區，鋰離子沉積呈現為無規則區域富集分布狀態（圖1a中藍框內左側區域），將誘導鋰枝晶生長進而誘發短路現象發生。而在濺射有Au原子層區域，鋰離子沉積呈現為均勻球形顆粒分布狀態（圖1a中紅框區域及藍框內右側區域），有效抑制了由於鋰枝晶的生長帶來的鋰離子電池的安全隱患。該工作的開展為全固態電池界面性能優化及安全性能提升提供了理論與實驗基礎。
該項研究工作得到國家自然科學基金和安徽省自然科學基金的支持。
圖1：（a）鋰離子在固態電解質表面不同區域沉積形貌；（b）鋰離子傳輸及沉積示意圖。