鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的瓶頸問(wèn)題該如何解決？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-21 21:11
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目前，主流鋰電池采用的是液態(tài)電解液，存在火災(zāi)等安全隱患，可儲(chǔ)存在一定體積內(nèi)的能量有限。然而，下一代固態(tài)鋰電池仍有許多問(wèn)題有待解決。8月21日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《物質(zhì)》刊登了中國(guó)科技大學(xué)馬成教授及其合作者的最新研究成果。他們提出了一種新的策略，有效地解決了下一代固態(tài)鋰電池電極材料與固體電解質(zhì)接觸差異的關(guān)鍵問(wèn)題。合成的固態(tài)復(fù)合電極具有良好的容量和速率性能。
用固體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池中的有機(jī)液體電解質(zhì)，可以大大緩解安全問(wèn)題，有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流的電極材料也是固體材料。由于兩種固體物質(zhì)之間的接觸幾乎不可能像固液接觸那樣充分，目前在使用固體電解質(zhì)的電池中很難實(shí)現(xiàn)良好的電極-電解液接觸，電池的整體性能也不盡如人意。
“固態(tài)電池的電極-電解液接觸問(wèn)題就像一個(gè)桶的短板。”“近年來(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)了各種性能優(yōu)異的電極和固體電解質(zhì)，但由于它們之間難以良好接觸，鋰離子的傳輸效率受到很大限制，馬教授說(shuō)。
馬成團(tuán)隊(duì)及其合作伙伴的方法有望解決這一問(wèn)題。通過(guò)對(duì)經(jīng)典鈣鈦礦固體電解質(zhì)中雜質(zhì)相的原子級(jí)觀察，雖然雜質(zhì)和固體電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)有很大的不同，但研究人員發(fā)現(xiàn)它們的原子可以在界面處以相互伸展的形式排列。經(jīng)過(guò)一系列詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這種雜質(zhì)相與高容量富鋰層狀電極結(jié)構(gòu)相同。也就是說(shuō)，經(jīng)典的固態(tài)電解液可以以高性能正極的原子結(jié)構(gòu)為模板進(jìn)行結(jié)晶，從而在原子尺度上形成緊密的界面。
與常用的冷壓方法相比，新方案可以實(shí)現(xiàn)固體電解質(zhì)與電極在原子尺度上的充分、緊密接觸。圖中原子分辨率的電子顯微鏡照片直接證實(shí)了這種緊密接觸。”這是一個(gè)驚喜。”中國(guó)科技大學(xué)的碩士學(xué)位論文的第一作者李付甄說(shuō)：“在材料中存在缺陷，這是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象，通常都被忽略了。然而，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，我們發(fā)現(xiàn)了意想不到的延伸行為，這啟發(fā)了我們改進(jìn)固體接觸策略。”
根據(jù)觀察結(jié)果，在富鋰層狀顆粒表面結(jié)晶出與鈣鈦礦固體電解質(zhì)成分相同的非晶粉末，成功地實(shí)現(xiàn)了兩種固體材料在新型復(fù)合電極中的充分、緊密接觸。解決了電極與電解質(zhì)的接觸問(wèn)題，固液復(fù)合電極的比性能與固液復(fù)合電極相當(dāng)。更重要的是，研究者還發(fā)現(xiàn)外延固體-固體接觸可以容忍大的晶格失配，因此他們提出的策略可以應(yīng)用于各種鈣鈦礦固體電解質(zhì)和層狀電極。
“這項(xiàng)工作指出了一個(gè)新的探索方向。”將這一原理應(yīng)用于其他重要材料可能會(huì)導(dǎo)致更好的電池性能和更有趣的科學(xué)問(wèn)題。我們期待著。”研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索這一方向，并將他們提出的策略應(yīng)用于其他高容量、高電位的正極。合作團(tuán)隊(duì)包括清華大學(xué)南川分校院士團(tuán)隊(duì)和美國(guó)艾姆斯實(shí)驗(yàn)室林周博士。Matter是Cell Publishing Group推出的新旗艦學(xué)術(shù)期刊。
