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学院在Advanced Energy Materials发文:高比能全固态电池正极侧界面空间电荷层调控

发布时间:2024-05-24 浏览次数:808

全固态电池由于兼具高能量密度以及高安全性的综合优势,被认为是下一代电池体系的理想方案。然而,使用固体电解质代替电解液以实现电池固态化的过程中,如何实现电池内部快速的锂离子迁移成为实现全固态电池实际应用的关键。近期研究表明,硫化物固体电解质(如Li10GeP2S12、Li6PS5Cl、Li3PS4等)具有与传统电解液相当的室温锂离子电导率(>1×10−3 S cm−1),同时其质地较软,通过冷压的方式即可实现与电极材料较好的界面接触,从而实现快速的锂离子传输。目前,基于该类电解质的全固态电池研究中,提升硫化物固体电解质与高比能三元正极材料(NCM)界面相容性的相关工作是该领域的研究热点和难点。在正极侧,界面化学/电化学稳定性、界面蠕变以及空间电荷层效应对界面锂离子迁移的影响机制尚未完全明了,这严重制约着新型稳定正极界面的构筑以及全固态电池应用化进程。

近日,上海交通大学智慧能源创新学院二次电池研究团队通过流化床包覆、烧结工艺实现了对三元正极稳定界面层的精准构筑。铌酸锂包覆后的三元正极(NCM@LNO)实现了与硫银锗矿型硫化物电解质的紧密接触,同时有效抑制了正极侧界面的化学/电化学副反应以及界面蠕变,为进一步研究空间电荷层效应对锂离子迁移动力学行为影响机制打下坚实基础。结合非原位表征分析手段(如透射显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等)和DFT计算结果,对空间电荷层的形成和演化机制进行了全面研究,并实现了对空间电荷层的有效抑制。另外,开创性的利用原位拉曼峰偏移-应力解耦的手段,揭示了正极界面侧空间电荷层构型与锂离子电化学行为模式之间的构效关系。基于此,NCM@LNO正极所组装的全固态电池在0.2C的倍率下循环800圈后仍保持85.2%的放电比容量(136.2 mAh g−1)。综上所述,本研究工作全面而系统研究了全固态电池正极界面空间电荷层形成与演化机制,为界面层的高效优化与设计工作提供了重要的理论基础,相关工作以“Elucidating and Minimizing the Space-Charge Layer Effect between NCM Cathode and Li6PS5Cl for Sulfide-Based Solid-State Lithium Batteries”发表在能源领域国际知名期刊Advanced Energy Materials上。

上海交通大学智慧能源创新学院博士后陈亚为本论文的第一作者,崔立峰教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市国际科技合作项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、上海市超级博士后激励计划的支持。

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(a)铌酸锂界面层构筑可控正极侧空间电荷层机理示意图。(b)基于不同热处理温度下铌酸锂包覆三元正极材料的全固态电池长循环性能对比图。