Advanced Science:力电耦合新应用: 压电修饰层诱导局域电场,调控锂离子电池界面处的离子输运行为

锂离子电池由于具有能量密度大、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点,在便携式数码电子产品中获得了广泛应用,在电动汽车、大型储能、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而,电极-电解质界面的结构稳定性和离子输运特性成为阻碍其比能量、比功率、长寿命和安全性进一步提升的瓶颈。如何设计和构筑稳定有效的界面层,改善界面的离子输运行为,是锂离子电池领域的一项挑战。

已有的文献报道中,大多都是使用氧化物、氟化物、磷酸盐或者快离子导体对富锂正极材料进行表面改性,其落脚点主要在于通过“抑制正极-电解质界面膜(CEI膜)的不断增长”来“改善”锂离子在界面处的动力学行为,从而提高富锂正极材料的电化学特性和使用寿命。对于诸多已报道的修饰材料,若是锂离子绝缘的(如氧化物、氟化物、磷酸盐),可以在正极和电解质中间起到物理隔绝作用,从而抑制了可能的副反应和过渡金属阳离子的溶出;若是锂离子导通的(如快离子导体),在以上作用的基础上其本身可以为锂离子提供快速输运通道。

基于对以上研究现状的分析,在选取修饰材料时,河南大学白莹教授团队考虑选择一种相对于传统的锂离子绝缘或锂离子导通的“无所作为、顺其自然”型惰性表面修饰材料,能够“主动参与、主动作为”的功能化界面材料,在稳定界面结构的同时更加有效的促进界面锂离子输运能力。通过调研发现,压电材料在受到应力的作用后,将形成内建电场。若使用压电材料作为富锂正极材料的表面修饰层,材料在充放电过程中产生的晶格体积变化(“晶格呼吸”)自然的将应力向外传导,压电材料可以原位诱导产生局域电场,对界面的锂离子输运行为起到有效的调控作用。基于这种思路,通过调研我们选择了一种具有良好的压电效应、且与富锂正极材料晶格匹配度较高的压电材料LiTaO3对其进行表面修饰改性。

通过实验测试发现:富锂正极材料表面的LiTaO3压电包覆层在受到应力的作用后,内部产生极化,从而产生电势差,在电极-电解质界面处原位诱导产生交变的局域电场。在充电过程中,锂离子不断脱出使得晶格逐渐膨胀,对应于应力逐渐增加,所诱导的局域电势逐渐增加,此时局域电场的方向与锂离子的扩散方向相反,从某种程度上可以防止过充的发生。在放电过程中,锂离子逐渐返回嵌入到晶格中,使得晶格膨胀逐渐减弱,对应于应力逐渐减小,相应的压电势逐渐减小,此时包覆层的内建电势方向与锂离子扩散方向一致,因此在放电过程中对锂离子的扩散提供了额外的动力,使得电池表现出优越的电化学性能。

研究者相信,此项研究为“晶格呼吸”较为明显的电极材料的电化学改善提出了一个新的思路:选取压电材料对原始材料进行表面修饰。以实现材料更好的电化学性能。除此之外,启发研究者在包括能源材料与系统的功能化界面设计上,充分发掘和应用力光电磁的多场耦合效应,将会为纷繁妙曼的能源材料谱写下新的乐章。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201902538)上。