固態(tài)鋰電池具有高安全性、高能量密度、長循環(huán)壽命和回收方便等優(yōu)點，被認為是下一代革命性的電池技術(shù)，已成為電池研究領(lǐng)域的前沿和熱點。在諸多固態(tài)電池材料體系中，NASCION型固態(tài)電解質(zhì)具有鋰離子電導率高、化學穩(wěn)定性高、電化學窗口寬及成本相對較低等優(yōu)點，具有推動高容量固態(tài)電池實用化的巨大潛力。然而，NASCION型固態(tài)電解質(zhì)對金屬鋰負極的化學穩(wěn)定性差和界面阻抗高嚴重阻礙其在固態(tài)全電池中的實際應用。

針對這一科學問題，西安交通大學宋江選教授與瑞典查爾莫斯理工大學AleksandarMatic教授合作，提出了一種全新的界面改性策略。該工作在固態(tài)電解質(zhì)和金屬鋰負極之間設計一種由固態(tài)電解質(zhì)納米顆粒和離子液體電解液復合而成的多功能界面層，在電池負極側(cè)形成低阻抗、高穩(wěn)定性和高安全性的界面，從而顯著實現(xiàn)固態(tài)電池電化學性能大幅度躍升。該界面中間層的離子液體電解質(zhì)具有高安全性和對鋰化學穩(wěn)定性好等特點，同時固態(tài)電解質(zhì)納米顆粒可以勻化鋰離子在電極表面擴散通量從而抑制鋰枝晶生成。基于上述策略制備的固態(tài)全電池庫倫效率和循環(huán)壽命得到明顯提高。本工作為NASCION型固態(tài)電解質(zhì)在高能量密度電池中的實用化研究提供了一種新思路。

近日，該研究成果以“NASCION基固態(tài)鋰電池多功能中間層設計”為題發(fā)表在國際材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進功能材料》上，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為本文的第一通訊單位，第一作者為熊仕昭博士和博士生劉洋洋，宋江選教授為共同通訊作者。

與此同時，課題組在固態(tài)電池鋰金屬負極和高比容鉀離子電池負極材料領(lǐng)域也連續(xù)取得新進展，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國際知名期刊Small和中國卓越期刊《中國科學：材料科學》上。上述研究成果均以西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為第一通訊單位，宋江選教授為通訊作者。這些研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省國際合作重點項目/特色產(chǎn)業(yè)鏈重點項目、西安交大青年拔尖人才計劃等項目共同資助。

中科大在固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機理上取得重要發(fā)現(xiàn)

中國科學技術(shù)大學馬騁教授課題組在鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機理上取得重要發(fā)現(xiàn)。研究者用球差校正透射電鏡直接觀測到了一種奇特的非周期性機構(gòu)。該結(jié)構(gòu)盡管只有一個原子層厚，但卻能對鋰離子的傳輸產(chǎn)生顯著影響，從而成為除了晶界、點缺陷以外的又一類需要受到固態(tài)鋰電池研究者密切關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)。該研究成果近日以“Single-atom-layertrapsinasolidelectrolyteforlithiumbatteries”為題發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《NatureCommunications》上。

全固態(tài)鋰電池因兼具安全性和高能量密度成為當前電池研究的熱點，而成功構(gòu)筑這一電池的關(guān)鍵在于找到合適的固態(tài)電解質(zhì)。為了有針對性的設計具備高離子電導率的固態(tài)電解質(zhì)，研究者必須先充分理解其中鋰離子的傳輸機理。對固態(tài)電解質(zhì)而言，擾動理想晶體結(jié)構(gòu)的“非周期性結(jié)構(gòu)”可以對離子電導率帶來數(shù)量級的改變，因此它們對于理解離子傳輸機理至關(guān)重要。以往的研究中，受到普遍關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)主要包括晶界和點缺陷這兩大類，而上述工作則發(fā)現(xiàn)了一類新的可以劇烈影響離子傳輸?shù)姆侵芷谛越Y(jié)構(gòu)。

通過球差校正透射電鏡對經(jīng)典固態(tài)電解質(zhì)Li0.33La0.56TiO3的觀測，研究者發(fā)現(xiàn)了大量單原子層缺陷，并且這些缺陷相互之間會形成閉合回路。顯微學和理論計算的綜合分析表明，盡管這些缺陷只有一個原子層厚，它的特殊原子構(gòu)型卻可以徹底阻止鋰離子穿過。當這些缺陷相互結(jié)合形成閉環(huán)時，被封閉體積中的鋰離子將無法逃離，而其外部的鋰離子也無法進入，從而使得這部分材料實質(zhì)上無法參與離子傳輸。電鏡觀測已證實該現(xiàn)象在樣品中大量存在，而且Li0.33La0.56TiO3的離子電導率將因此下降約1-2個數(shù)量級。研究者把這種獨特的非周期性結(jié)構(gòu)命名為“單壁鋰阱”（single-atom-layertrap,SALT）。在未來的研究中，如果能減少甚至避免單壁鋰阱的形成，離子電導率將獲顯著提升。研究者正在往這個方向進行進一步探索。這一發(fā)現(xiàn)為離子傳輸機理的研究和材料的設計優(yōu)化都提出了新的方向。

《NatureCommunications》的審稿人對該工作給予高度肯定，認為“這篇文章讀起來激動人心，報道了一個非常新奇的觀測結(jié)果”(“thiswasanexcitingmanuscripttoread,reportingonaverynovelobservation”)，并且認為“它將在固態(tài)電解質(zhì)/固態(tài)電池領(lǐng)域，甚至更普遍的在材料科學和電子顯微學共同體中激起廣泛討論”（“Iwould…expectthatitstirsupquitesomediscussionbothinthesolidelectrolyte/solid-statebatteryfieldaswellasgenerallyinthematerialscienceandelectronmicroscopycommunities”）。

該論文的第一單位為中國科大，共同第一作者依次為中國科大的博士生朱峰、美國馬里蘭大學的博士生MdShafiqulIslam、美國AmesLaboratory的LinZhou博士，共同通訊作者依次為美國馬里蘭大學的莫一非教授和中國科大的馬騁教授。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學技術(shù)大學創(chuàng)新團隊培育基金等項目的資助。