固態(tài)鋰電池電極-電解質(zhì)接觸問(wèn)題的研究取得重要進(jìn)展
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授課題組和清華大學(xué)南策文院士團(tuán)隊(duì)在鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的研究上取得重要進(jìn)展。研究者使用球差校正透射電鏡對(duì)固態(tài)電解質(zhì)和電極材料的界面進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀結(jié)構(gòu)的正極和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)之間可以形成外延界面。利用這一現(xiàn)象，研究者制備了倍率性能可與傳統(tǒng)漿料涂覆正極相比的復(fù)合正極，為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。相關(guān)研究成果以”Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries”為題發(fā)表在Cell Press旗下的材料學(xué)旗艦期刊《Matter》上（DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.004）。論文的唯一第一作者是我校碩士研究生李富振同學(xué)。
傳統(tǒng)鋰離子電池由于使用易燃且電化學(xué)窗口有限的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，普遍存在易燃、能量密度難以進(jìn)一步提升等問(wèn)題。相比于有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)大多不可燃，可以降低甚至消除電池起火的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口,允許使用更高電壓的正負(fù)極組合以提升電池的能量密度。近年的研究已發(fā)現(xiàn)了許多性能卓越的固態(tài)電解質(zhì)。然而，主流電極材料也是固態(tài)物質(zhì)。如果將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)，那么電極和電解質(zhì)之間將難以形成像固-液界面那樣緊密充分的接觸，嚴(yán)重影響鋰離子在電極和電解質(zhì)間傳輸?shù)男?。這一瓶頸是固態(tài)電池最難克服的挑戰(zhàn)之一。
球差校正透射電鏡的觀測(cè)為解決這一問(wèn)題提供了新思路。研究人員在使用電鏡研究鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)Li0.33La0.56TiO3時(shí)，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀氧化物這一高性能電極材料的結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦這一被廣泛研究的固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)間形成外延生長(zhǎng)的界面，從而在原子尺度形成緊密、充分的固-固接觸。研究者進(jìn)一步對(duì)兩者間外延界面進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)界面處每15個(gè)原子面就會(huì)形成一個(gè)錯(cuò)配位錯(cuò)，釋放積累的應(yīng)變。這一機(jī)制導(dǎo)致了此外延界面的形成并不要求電極和電解質(zhì)具備相近的晶格尺寸，而是可以廣泛發(fā)生于多種層狀結(jié)構(gòu)材料與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料體系之間。隨后,研究人員將這一結(jié)論用于實(shí)際的材料制備中，以層狀電極材料0.54Li2TiO3-0.46LiTiO2晶體為模板將非晶Li0.33La0.56TiO3進(jìn)行結(jié)晶制備出了原子級(jí)界面結(jié)合的電極-電解質(zhì)復(fù)合正極材料，并對(duì)其進(jìn)行了性能表征。結(jié)果顯示此方法制備的固-固復(fù)合電極中活性物質(zhì)與電解質(zhì)之間結(jié)合充分程度接近固-液接觸，并且其倍率性能也不亞于傳統(tǒng)漿料涂覆技術(shù)制備的固-液復(fù)合物電極。該方法的提出為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。
上述研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
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