锂电池固态电解质的瓶颈问题该如何解决？
来源：宝鄂实业
2019-10-21 21:11
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目前，主流锂电池采用的是液态电解液，存在火灾等安全隐患，可储存在一定体积内的能量有限。然而，下一代固态锂电池仍有许多问题有待解决。8月21日，顶级学术期刊《物质》刊登了中国科技大学马成教授及其合作者的最新研究成果。他们提出了一种新的策略，有效地解决了下一代固态锂电池电极材料与固体电解质接触差异的关键问题。合成的固态复合电极具有良好的容量和速率性能。
用固体电解质代替传统锂离子电池中的有机液体电解质，可以大大缓解安全问题，有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流的电极材料也是固体材料。由于两种固体物质之间的接触几乎不可能像固液接触那样充分，目前在使用固体电解质的电池中很难实现良好的电极-电解液接触，电池的整体性能也不尽如人意。
“固态电池的电极-电解液接触问题就像一个桶的短板。”“近年来，研究人员开发了各种性能优异的电极和固体电解质，但由于它们之间难以良好接触，锂离子的传输效率受到很大限制，马教授说。
马成团队及其合作伙伴的方法有望解决这一问题。通过对经典钙钛矿固体电解质中杂质相的原子级观察，虽然杂质和固体电解质的结构有很大的不同，但研究人员发现它们的原子可以在界面处以相互伸展的形式排列。经过一系列详细的结构和化学分析，研究人员发现这种杂质相与高容量富锂层状电极结构相同。也就是说，经典的固态电解液可以以高性能正极的原子结构为模板进行结晶，从而在原子尺度上形成紧密的界面。
与常用的冷压方法相比，新方案可以实现固体电解质与电极在原子尺度上的充分、紧密接触。图中原子分辨率的电子显微镜照片直接证实了这种紧密接触。”这是一个惊喜。”中国科技大学的硕士学位论文的第一作者李付甄说：“在材料中存在缺陷，这是一个非常普遍的现象，通常都被忽略了。然而，经过仔细观察，我们发现了意想不到的延伸行为，这启发了我们改进固体接触策略。”
根据观察结果，在富锂层状颗粒表面结晶出与钙钛矿固体电解质成分相同的非晶粉末，成功地实现了两种固体材料在新型复合电极中的充分、紧密接触。解决了电极与电解质的接触问题，固液复合电极的比性能与固液复合电极相当。更重要的是，研究者还发现外延固体-固体接触可以容忍大的晶格失配，因此他们提出的策略可以应用于各种钙钛矿固体电解质和层状电极。
“这项工作指出了一个新的探索方向。”将这一原理应用于其他重要材料可能会导致更好的电池性能和更有趣的科学问题。我们期待着。”研究团队将继续探索这一方向，并将他们提出的策略应用于其他高容量、高电位的正极。合作团队包括清华大学南川分校院士团队和美国艾姆斯实验室林周博士。Matter是Cell Publishing Group推出的新旗舰学术期刊。
