我國學(xué)者克服固態(tài)鋰離子電池電極-電解質(zhì)的瓶頸

核心提示:由于使用有機(jī)液體電解質(zhì)，傳統(tǒng)鋰離子電池普遍易燃，能量密度難以進(jìn)一步改善等問題。與有機(jī)液體電解質(zhì)相比，固體電解質(zhì)大多不易燃，降低甚至消除了電池著火的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，允許更高的正負(fù)電極電壓組合來新增電池的能量密度。然而，主電極材料也是固體的。假如用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，電極與電解質(zhì)之間很難形成像固液界面那樣緊密而充分的接觸，這將嚴(yán)重影響電極與電解質(zhì)之間鋰離子傳輸?shù)男?。這個(gè)瓶頸是固態(tài)電池最難克服的挑戰(zhàn)之一。

記者從我國科技大學(xué)(科大),馬(馬馬馬)教授的研究小組和團(tuán)隊(duì)nanchewen院士、清華大學(xué)合作準(zhǔn)備復(fù)合陽極的性能與傳統(tǒng)的粘貼涂料正電極,為克服瓶頸供應(yīng)一個(gè)新想法在固體電極和電解質(zhì)之間接觸不良的電池。研究結(jié)果發(fā)表在《國際材料科學(xué)雜志》上。

由于使用有機(jī)液體電解質(zhì)，常規(guī)鋰離子電池普遍易燃，能量密度難以進(jìn)一步提高。與有機(jī)液體電解質(zhì)相比，固體電解質(zhì)大多不易燃，降低甚至消除了電池著火的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，允許更高的正負(fù)電極電壓組合來新增電池的能量密度。然而，主電極材料也是固體的。假如用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，電極與電解質(zhì)之間很難形成像固液界面那樣緊密而充分的接觸，這將嚴(yán)重影響電極與電解質(zhì)之間鋰離子傳輸?shù)男?。這個(gè)瓶頸是固態(tài)電池最難克服的挑戰(zhàn)之一。

利用電子顯微鏡研究鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，作為高性能電極材料的富鋰層狀氧化物的結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)形成外延界面，從而在原子尺度上形成緊密而充分的固-固接觸。對兩者外延界面的進(jìn)一步分析表明，界面上每15個(gè)原子表面將形成失配位錯(cuò)，釋放累積的應(yīng)變。這種機(jī)特種致外延界面，不要電極和電解質(zhì)具有類似的晶格大小，但可以在廣泛的層狀和鈣鈦礦系統(tǒng)中出現(xiàn)。

將所得結(jié)果應(yīng)用于材料的制備，制備了具有原子界面鍵合的電極-電解質(zhì)復(fù)合陽極材料，并對其性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，該方法制備的固-固復(fù)合電極中活性物質(zhì)與電解質(zhì)的結(jié)合接近固-液接觸，其比例不低于傳統(tǒng)漿液包覆工藝制備的固-液復(fù)合電極。

該方法為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差的瓶頸供應(yīng)了新的思路。