作者:王春生等 来源:《自然》 发布时间:2023/10/25 23:11:09
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全固态锂金属电池的界面设计

 

2023年10月25日,美国马里兰大学王春生教授研究团队在Nature期刊上发表一篇题为“Interface design for all-solid-state lithium batteries”的新研究。

课题组在Li负极和Li6PS5Cl固体电解质之间设计了Mg16Bi84界面层来解决Li负极侧锂枝晶生长问题;并在NMC811表面设计了富氟层,来抑制NMC811正极侧高阻抗界面层的形成,同时实现NMC811的结构稳定。

论文通讯作者是王春生教授,第一作者是万红利。

采用LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)正极和锂金属负极的全固态锂金属电池(ASSLB)可以满足电动汽车和大规模储能系统的高能量密度和安全要求。然而,Li/NMC811电池在低堆压、高容量和高倍率下的运行受到Li负极侧Li枝晶的生长和固体电解质(SSE)的还原,以及正极/电解质界面处高阻抗界面相的形成的限制。现有的技术手段如在Li/SSE界面处引入高电子电导的中间层(Au、Al等)、高锂化电位的中间层(vs. Li+/Li,Si、Sn、Sb、In等)或疏锂界面层(W等)不能同时防止SSE还原和抑制Li枝晶生长。在正极侧,现有改性后的正极如LiNbO3@NMC811正极在充电/放电循环中仍有裂纹产生,使NMC811正极上的LiNbO3涂层在长循环过程中仍然无法阻止NMC811与电解质发生反应。因此,非常需要进行有效的Li/SSE和NMC811/SSE界面设计,以使NMC811||Li ASSLB 在低堆压下实现优异的电化学性能。

在这项工作中,王春生教授团队在Li负极和Li6PS5Cl固体电解质之间设计了Mg16Bi84界面层来解决Li负极侧锂枝晶生长问题;并在NMC811表面设计了富氟层,来抑制NMC811正极侧高阻抗界面层的形成,同时实现NMC811的结构稳定。

在锂负极侧,Mg在热处理和锂沉积/脱出过程中从Mg16Bi84界面层迁移到锂负极,将Mg16Bi84转化为多功能的LiMgSx-Li3Bi-LiMg三相界面层,其中LiMgSx为固体电解质界面层,其能防止电解质的还原并使多孔Li3Bi与电解质紧密接触;LiMg使Li在Li负极表面均匀沉积,并起到粘结剂作用使Li负极和多孔Li3Bi紧密接触;而具有高离子/电子电导率比的多孔Li3Bi层使Li在高容量时在多孔Li3Bi层的孔中沉积,从而缓解Li沉积/脱出过程中的应力变化。

在NMC811正极侧,F阴离子在4.3V的高电位下从NMC811表面层电化学迁移到NMC811体相中,使具有富F涂层的NMC811转变为F掺杂的NMC811正极,从而使NMC811正极的结构稳定性提高。正负极界面层的设计使全固态电池在2.5 MPa的低堆压以及高容量下实现优异的电化学性能,其中NMC811/Li6PS5Cl/Li电池在2.55 mA cm-2电流密度下实现7.2 mAh cm-2的容量,LiNiO2/Li6PS5Cl/Li电池在2.55 mA cm-2电流密度下实现11.1 mAh cm-2的容量以及310 Wh kg-1的能量密度。

图1:正负极界面设计原理图,以及Li6PS5Cl/Mg16Bi84/Li转化为Li6PS5Cl/LiMgSx/Li3Bi/LiMg的相关表征及模拟计算。

图2:Li/Mg16Bi84–Li6PS5Cl–Mg16Bi84/Li对称电池的电化学性能图。

图3:Cl@NMC811/Li6PS5Cl–Mg16Bi84/Li电池的电化学性能。

图4:正极界面层的表征以及F@NMC811/Li6PS5Cl–Mg16Bi84/Li电池的电化学性能。

Mg16Bi84负极界面层和富氟正极界面层为全固态锂电池的设计提供了通用设计思路,从而实现全固态锂电池在低堆压下的高能量密度和快速充电能力。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06653-w

 
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