Advanced Materials:自支撑LLTO固体电解质薄膜助力高能量密度锂金属电池

近年来氧化物固体电解质(如Li7La3Zr2O12、Li0.34La0.567TiO3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3等)由于具有耐高温、高锂离子电导率、高弹性模量、高化学稳定性、宽的电化学稳定窗口等显著优点,可与高电压正极、高容量锂负极匹配,组装全固态锂金属电池,彻底消除锂电池燃烧爆炸的风险,提升电池的能量密度,而引起了人们极大的研究兴趣。然而,目前氧化物固体电解质大多通过压制成型得到(厚度往往大于200微米),或需附着在刚性支撑层上以保证其机械强度,但由于氧化物固体电解质本身的高密度,以及电解质层较大的厚度或者支撑层的引入会显著降低全固态电池的质量能量密度和体积能量密度。

华南理工大学王海辉教授、王素清研究员团队针对这一问题,以钙钛矿型Li0.34La0.567TiO3(LLTO)电解质为研究对象,采用流延技术和特殊的烧结工艺,实现了薄至25微米的自支撑LLTO电解质膜的制备。这种通过流延成型得到的电解质膜具有非常紧密的晶粒结构,与常规压片法制得的电解质片致密度相当。受益于其至薄的厚度,在流延成型的电解质膜中锂离子从一侧到另一侧仅需穿过数个较大晶粒,传输距离短,有利于发挥Li0.34La0.56TiO3电解质体相锂离子电导率高的优势,而削弱其晶界离子电导率较低的劣势。因此,流延成型的电解质膜的离子电导与压片烧结的电解质片相比有明显提高。通过机械强度的测试比较,25微米的LLTO固体电解质薄膜表现出高达264MPa的弯曲强度,可满足电池组装要求。采用Li0.34La0.567TiO3电解质薄膜(41微米)组装的LiFePO4/Li全固态锂电池可实现150mAh g-1的充放电比容量。这种固体电解质薄膜的应用可大幅降低固体电解质在电池中的质量和体积占比,助力实现高能量密度锂金属电池。

此项研究揭示了使用氧化物固体电解质实现高能量密度全固态锂电池上的挑战和可行性,并为未来的基于氧化物电解质的全固态锂金属电池研究和应用打开一扇窗户。相关结果以“Tape-Casting Li0.34La0.56TiO3 Ceramic Electrolyte Films Permit High Energy Density of Lithium-Metal Batteries”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201906221)上。