打破锂电池固态电解质的瓶颈中国科大提出原子级解决方案

2019-08-30 10:12

当前主流锂电池使用液态电解质，这存在起火等安全隐患，且特定体积内能够储存的能量有限。但能解决这些问题的下一代固态锂电池仍存在很多尚未攻克的难题。8月21日，顶级学术期刊《Matter》刊登中国科学技术大学的马骋教授和他的合作者最新成果，他们提出来一种新策略，可以有效解决下一代固态锂电池中电极材料和固态电解质接触差这一关键问题，合成出的固态复合物电极展现出优异的容量和倍率性能。

用固态电解质替换传统锂离子电池中的有机液态电解质可以极大缓解安全问题，且有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流电极材料也是固态物质。由于两种固态物质之间的接触几乎不可能像固-液接触那样充分，目前使用固态电解质的电池难以实现良好的电极-电解质接触，电池整体性能也并不令人满意。

“固态电池的电极-电解质接触问题就像木桶的短板。”马骋教授说，“近年来研究者们已经研发出多种性能优异的电极和固态电解质，但因为两者间难以实现良好的接触，锂离子的传输效率受到很大限制。”

马骋团队及其合作者的方法有望解决这个难题。通过对一种经典钙钛矿结构的固态电解质中的杂质相进行原子级观测，虽然杂质和固态电解质结构迥异，研究者却观察到他们的原子在界面处能以相互外延的形式排布。经过一系列细致的结构和化学分析，研究者发现这一杂质相和高容量的富锂层状物电极结构相同。换言之，上述经典固态电解质能够以一种高性能正极的原子结构为模板进行结晶，从而在原子尺度形成紧密的界面。

相比于通常使用的冷压方法，新方案可以在原子尺度实现固态电解质和电极的充分、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一紧密接触。“这是个惊喜。”文章的第一作者，中国科学技术大学的硕士研究生李富振说道，“在材料中存在缺陷本来是一个很平常的现象，平常到了大部分时候会被人忽略的程度。但是，在对它们进行了细致观测以后，我们发现了意料之外的外延行为，正是这一发现启发了我们用于改进固-固接触的策略。”

利用观察结果，研究者将成分和钙钛矿固态电解质相同的非晶粉末在富锂层状物颗粒的表面做成结晶，成功地在新复合物电极中实现两种固态材料间充分、紧密的接触。解决了电极-电解质接触问题，这种固-固复合物电极的倍率性能可以和和固-液复合物电极相媲美。更重要的是，研究者们还发现这种外延的固-固接触可以容忍很大的晶格错配，因此他们提出的策略可适用于多种钙钛矿固态电解质和层状电极。

“这项工作指明了一个值得探索的新方向。”马骋教授说，“将这种原理应用到其他重要材料中也许能开发出更好的电池性能，引出更有意思的科学问题。我们对此相当期待。”研究团队将沿着这个方向继续探索，并将他们提出的策略应用到其他高容量、高电位的正极中。合作团队包括清华大学的南策文院士团队和美国Ames Laboratory的Lin Zhou博士等。《Matter》是Cell出版集团下新推出的旗舰学术期刊。