Advanced Energy Materials:固相预锂化——构建高性能氢化物全固态电池负极材料之策略

氢化物是非常有潜力的负极材料:一方面具有高的理论容量,另一方面对锂电位适中。如LiAlH4,其理论容量高达2821 mAh g-1,充放电平台电位0-0.7 V。但是,LiAlH4的充放电过程动力学差、副反应多,极大阻碍了其实用化。

纳米化为改善电极材料电化学性能的有效策略,尤其对提高电化学反应的动力学性能效果显著,但对具强还原性的LiAlH4材料来说,常规的纳米化手段不太适用;而针对其副反应问题,目前较为成功的策略是使用LiBH4固体电解质构建固态电池,但如何实现良好离子、电子导电网络仍是一个难题。

上海理工大学郑时有教授课题组与桂林电子科技大学孙立贤教授课题组合作,提出运用固相预锂化策略构建出一新型的配位氢化物纳米复合电极材料,进一步以LiBH4为固体电解质组装全固态锂电池。研究中通过LiAlH4、Li、LiBH4和C混合,基于LiBH4传导锂离子和C传导电子的作用,在固相实现LiAlH4和Li的原位电化学反应。该反应为内短路电化学反应,反应速率快,而固相下的物质扩散困难,形成独特的微观结构,利于离子和电子的传输。

该方法制得的Li3AlH6-Al复合材料具有弥散分布在非晶Li3AlH6基本上的纳米Al颗粒,在全固态半电池中展现出2266 mAh g-1的首圈可逆容量,88%的首圈库伦效率,百圈容量保持率为71%,在1A g-1电流下1429 mAh g-1的倍率性能,并能够作为负极在全固态电池中(正极为LiCoO2)稳定循环。该策略样可应用于其它缺锂类电极材料并改善其综合性能。

相关工作以” Solid-State Prelithiation Enables High-Performance Li-Al-H Anode for Solid-State Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902795)上。文章通讯作者为郑时有教授,第一作者为庞越鹏副教授和王曦童硕士生(共同一作)。该工作得到国家自然科学基金委和上海市科委等项目的资助。