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关于固态电池电解质的新研究进展

来源:【TRD】 发布日期:2020-05-11 分享 加入收藏 关注:436

固态锂电池具有高安全性、高能量密度、长循环寿命和回收方便等优点,被认为是下一代革命性的电池技术,已成为电池研究领域的前沿和热点。在诸多固态电池材料体系中,NASCION型固态电解质具有锂离子电导率高、化学稳定性高、电化学窗口宽及成本相对较低等优点,具有推动高容量固态电池实用化的巨大潜力。然而,NASCION型固态电解质对金属锂负极的化学稳定性差和界面阻抗高严重阻碍其在固态全电池中的实际应用。


针对这一科知识题,西安交通大学宋江选教授与瑞典查尔莫斯理工大学AleksandarMatic教授合作,提出了一种全新的界面改性策略。该工作在固态电解质和金属锂负极之间设计一种由固态电解质纳米颗粒和离子液体电解液复合而成的多功能界面层,在电池负极侧形成低阻抗、高稳定性和高安全性的界面,从而显著实现固态电池电化学性能大幅度跃升。该界面中间层的离子液体电解质具有高安全性和对锂化学稳定性好等特点,同时固态电解质纳米颗粒可以匀化锂离子在电极表面扩散通量从而抑制锂枝晶生成。基于上述策略制备的固态全电池库伦效率和循环寿命得到明显提高。本工作为NASCION型固态电解质在高能量密度电池中的实用化研究提供了一种新思路。


近日,该研究成果以“NASCION基固态锂电池多功能中间层设计”为题发表在国际材料领域权威期刊《先进功能材料》上,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为本文的第一通讯单位,第一编辑为熊仕昭博士和博士生刘洋洋,宋江选教授为共同通讯编辑。


与此同时,课题组在固态电池锂金属负极和高比容钾离子电池负极材料领域也连续取得新进展,相关研究成果分别发表在国际知名期刊Small和中国卓越期刊《中国科学:材料科学》上。上述研究成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位,宋江选教授为通讯编辑。这些研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省国际合作重点项目/特色产业链重点项目、西安交大青年拔尖人才计划等项目共同资助。


中科大在固态电解质的离子传输机理上取得重要发现


中国科学技术大学马骋教授课题组在锂电池固态电解质的离子传输机理上取得重要发现。研究者用球差校正透射电镜直接观测到了一种奇特的非周期性机构。该结构尽管只有一个原子层厚,但却能对锂离子的传输产生显著影响,从而成为除了晶界、点缺陷以外的又一类需要受到固态锂电池研究者密切关注的非周期性结构。该研究成果近日以“Single-atom-layertrapsinasolidelectrolyteforlithiumbatteries”为题发表在国际著名学术期刊《NatureCommunications》上。


全固态锂电池因兼具安全性和高能量密度成为当前电池研究的热点,而成功构筑这一电池的关键在于找到合适的固态电解质。为了有针对性的设计具备高离子电导率的固态电解质,研究者必须先充分理解其中锂离子的传输机理。对固态电解质而言,扰动理想晶体结构的“非周期性结构”可以对离子电导率带来数量级的改变,因此它们对于理解离子传输机理至关重要。以往的研究中,受到普遍关注的非周期性结构主要包括晶界和点缺陷这两大类,而上述工作则发现了一类新的可以剧烈影响离子传输的非周期性结构。


通过球差校正透射电镜对经典固态电解质Li0.33La0.56TiO3的观测,研究者发现了大量单原子层缺陷,并且这些缺陷相互之间会形成闭合回路。显微学和理论计算的综合分析表明,尽管这些缺陷只有一个原子层厚,它的特殊原子构型却可以彻底阻止锂离子穿过。当这些缺陷相互结合形成闭环时,被封闭体积中的锂离子将无法逃离,而其外部的锂离子也无法进入,从而使得这部分材料实质上无法参与离子传输。电镜观测已证实该现象在样品中大量存在,而且Li0.33La0.56TiO3的离子电导率将因此下降约1-2个数量级。研究者把这种独特的非周期性结构命名为“单壁锂阱”(single-atom-layertrap,SALT)。在未来的研究中,如果能减少甚至避免单壁锂阱的形成,离子电导率将获显著提升。研究者正在往这个方向进行进一步探索。这一发现为离子传输机理的研究和材料的设计优化都提出了新的方向。


《NatureCommunications》的审稿人对该工作给予高度肯定,认为“这篇文章读起来激动人心,报道了一个非常新奇的观测结果”(“thiswasanexcitingmanuscripttoread,reportingonaverynovelobservation”),并且认为“它将在固态电解质/固态电池领域,甚至更普遍的在材料科学和电子显微学共同体中激起广泛讨论”(“Iwould…expectthatitstirsupquitesomediscussionbothinthesolidelectrolyte/solid-statebatteryfieldaswellasgenerallyinthematerialscienceandelectronmicroscopycommunities”)。


该论文的第一单位为中国科大,共同第一编辑依次为中国科大的博士生朱峰、美国马里兰大学的博士生MdShafiqulIslam、美国AmesLaboratory的LinZhou博士,共同通讯编辑依次为美国马里兰大学的莫一非教授和中国科大的马骋教授。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学技术大学创新团队培育基金等项目的资助。


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