​今日Nature Materials关注:探究固态电池能量密度提升的可行方法

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第一作者:Beniamin Zahiri
通讯作者:Paul V. Braun, John B. Cook
通讯单位:美国伊利诺伊大学-香槟分校, Xerion先进电池公司

【要点总结】

1. 通过精准调控正极材料的晶体学特性、面积及微观结构,准确评估了正极材料晶体学取向及形貌对锂/钠固态电池长循环性能的影响,克服了传统复合正极及薄膜固体电解质评价体系的弊端。

2. 相比于传统的提高电极/电解质界面的面积的方法,作者认为降低正极表面积才是理解界面不稳定性的本质且提高电池性能的关键所在。

3. 开发致密且厚实的正极是提升固态电池能量密度的可行方法之一

【主要内容】

固态电池具有提高电池器件能量密度及循环寿命的巨大潜力,而电极/电解质界面处的副反应严重损害固态电池的性能,限制了其发展,而目前对固态电池界面的认识还远远不够。当前的固态电池的研究多是以高活性的、多晶面取向的电极材料为对象,这无疑是无法准确地评估材料的表面形貌及晶体学性质对固态电池的影响的。

鉴于此,美国伊利诺伊大学-香槟分校的Paul V. Braun及Xerion先进电池公司的John B. Cook等人制备了高度结晶的、晶面定向的、厚实且致密的锂/钠过渡金属氧化物正极,并适配了多种固体电解质,最终确定了界面形貌、晶体性质对固态电池性能的影响。相关研究成果以“Revealing the role of the cathode–electrolyte interface on solid-state batteries”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上。

研究人员利用熔盐电沉积的方法很好地控制了所制备材料的晶体取向及表面形貌,在该材料中,可以看到电池的容量衰减及界面阻抗的增加是呈线性关系的,两者关系高度可预测,这是在界面性质复杂的传统复合正极中无法实现的。同时,该致密的正极材料能够减少电极中导电剂及粘结剂的用量,提高了电池的能量密度,并有效缓解了碳导电剂催化电解质氧化分解的负面作用。
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图 1 固体电解质-正极界面的设计增强对界面与性能关系的认识

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图 2 LCO正极材料的晶体取向和表面微观结构

通过与卤族固态电解质匹配后研究发现:
1)多截面的正极材料具有最优的循环稳定性及最高的初始容量;
2)Li3YCl6 (LYC)的氧化稳定性较Li3InCl6 (LIC)差,且LYC的稳定性与电极材料的晶体取向及表面结构紧密相关;
3)传统复合正极的容量衰减与界面阻抗相关性不强,而在致密正极材料中两者则呈线性关系,说明界面阻抗是电池性能的重要影响因素,也可作为致密正极基固态电池的高可信性的预测因子;
4)DFT理论计算揭示,LCO(003)晶面与LYC(100)晶面的结合力较弱,且其具有较少的锂离子传输通道,因此,(003)晶面取向的LCO会降低LYC固态电解质的氧化稳定性。
5)基于所研发的致密LCO正极及厚度为50 µm的固态电解质膜,所制备的软包电池的能量密度能够达到400 Wh/kg,而传统的复合正极则需要搭配10 µm的固态膜方可达到相当的水平。

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图 3 传统复合正极及致密正极与卤化物固态电解质的兼容性比较

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图 4 锂离子和钠离子电池体系在首次充电时的界面阻抗(0.1 C)

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图 5容量衰减与界面阻抗的相关性

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图 6 LCO-LYC界面结构的DFT计算模拟

【文献信息】

Zahiri, B., Patra, A., Kiggins, C. et al. Revealing the role of the cathode–electrolyte interface on solid-state batteries. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01016-0

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参考文献: