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邵宗平教授JMCA: 固态锂电池界面研究新突破：多功能负极添加剂实现低电阻和界面稳定的锂-石榴石电解质界面

• 文 章 信 息

  固态锂电池多功能负极添加剂实现低电阻和稳定的锂-石榴石电解质界面

  第一作者：Chencheng Cao

  通讯作者：Zongping Shao

  单位：科廷大学，南京工业大学

  
  

  研 究 背 景

       固态电池（SSB）因其稳定的结构和高的理论能量密度引起了广泛关注。相比于锂离子电池 (LIB)，SSB的更高的安全性使其成为一种更加理想的电化学储能装置，有望在未来的可持续能源系统中发挥重要作用。目前，固体电解质较低的电导率以及锂负极与固体电解质之间的界面离子传导和稳定性问题是制约SSB应用的关键因素。其核心组成部分电解质和锂负极界面的优化对于实现高的锂离子电导率，拓宽电化学电位窗口具有重要意义。

  
  

  文 章 简 介

       降低电解质和锂负极之间的界面电阻提升界面稳定性是突破固态电池性能壁垒的关键因素。本研究工作报告了通过将多功能 Li_0.3La_0.5TiO₃ (LLTO) 作为添加剂引入锂负极，实现其与石榴石表面的完美兼容，从而将界面电阻从200 Ω cm² 显著降低到仅48 Ω cm²，实现了界面稳定性的大幅提升并避免了枝晶的形成。

  
  

       此外，LLTO 提供了额外的锂存储效应，LLTO 和锂负极之间的紧密界面接触保证了锂离子传导的高倍率性能。固态电池在 0.1 mA cm^-2 下稳定运行 400 小时没有明显性能退化。

  

  图1. Li/LLZTO界面的电子和离子传导示意图

  
  

  
  

  本 文 要 点

  要点一：利用石榴石电解质的高离子电导率

  
  

       石榴石型LLZO通过在 Zr 位点掺杂适量的 Ta 或 Nb，可在室温下达到超过 10^-3 S cm^-1 的离子电导率。但是，由于石榴石电解质表面的疏锂性质， 使其与锂金属之间常常产生不良的接触界面。为了改善接触界面，一方面可以通过表面处理的方法去除Li₂CO₃，但可能会导致锂损失和表面缺陷位的形成；另一种方法可以通过引入添加剂的方式来调控熔融锂的性质，从而提高熔融锂的润湿性。选择结构稳定的添加剂，不仅可以改善负极-电解质的界面，还促进锂的stripping/platting电化学过程中界面间的离子和电子传输。

  
  

  
  
  要点二：离子导体LLTO与金属Li的部分反应

  
  

       将LLTO引入锂形成复合材料后，即使在5 wt％的低含量下，锂的表面张力也被大大降低。而原始熔融锂表面的Li₂CO₃ 杂质可能是造成其疏锂特性的原因。超过5 wt％的 LLTO的添加，会使得熔融的 Li-LLTO 混合物开形成平坦表面，而非纯熔融锂的球形。Li-LLTO 复合材料可以牢固地粘附在石榴石 SSE 表面，其界面之间没有出现任何间隙，这进一步证明了使用 LLTO 作为负极添加剂以提高锂金属与石榴石电解质的相容性的优势。

  
  

  
  
  要点三：固态电池器件中的循环稳定性

  
  

       使用稳定的 LiFePO₄（LFP）作为正极，测试了固态电池的稳定性。全电池在 0.1 至 2 C 的不同充放电倍率下表现出良好的循环稳定性。700 次循环中在 1 C 下的容量保持率为 90%（147 mAh g^-1），而在整个充电放电过程中库仑效率保持在 99%。循环前后，在负极侧没有明显的锂枝晶形成，石榴石电解质颗粒的形态没有明显变化。

  
  

  
  

  文 章 链 接

  Low resistant and stable lithium-garnet electrolyte interface enabled by a multifunctional anode additive for solid-state lithium batteries

  
  

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta07804f

  
  

  
  

  通 讯 作 者 简 介 

  邵宗平 教授

  
  

  
  

        澳大利亚科廷大学John Curtin杰出特聘教授， 南京工业大学特聘教授。1995年本科毕业于原杭州大学化学系（现浙江大学理学院），2000年毕业于中科院大连化物所获博士学位，2000年8月-2005年7月分别于法国科学研究中心和美国加州理工学院从事博士后研究。在能源储存和环境催化领域长期从事高质量的、创新性的研究。到目前为止，在燃料电池、锂离子电池、低温催化、水处理、太阳能电池、混合导体透氧膜等方向具有丰富的研究经验。目前在国际主流期刊包括Nature，Nature Energy，Nature Communications，Science Advance等上发表论文700余篇。发表的论文引用43000余次，H-index为98 （google scholar）；出版专著1本以及另外4本书中的重要章节。分别于2014、2017-2021年入选全球高被引科学家，2015-2021年连续入选爱思唯尔中国高被引学者。是国际期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编，是《南京工业大学学报（自然科学版）》、Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料导报、热科学与技术等学术期刊编委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊的顾问编委。

  (来源：科学材料站）

  
  

发布日期： 2021-11-30  浏览： 40741