Advanced Energy Materials:纳米线梯度界面助力高性能固态锂电池

固态锂电池(SSLBs)因其高安全性和高能量密度而受到广泛关注。然而,SSLBs中的离子导电性和界面问题仍然是需要克服的两个主要困难。固态锂电池正极周围不同界面之间的固-固界面接触不良,甚至界面化学反应均会阻碍电池的正常运行。就正极/固态电解质(SSE)界面而言,一个主要问题是不良的物理固-固接触,这会导致界面阻抗增加、锂离子传输效率降低。在几个循环后,正极材料会发生体积膨胀/收缩,从而导致界面分离。另一个问题是正极/固态电解质界面之间电化学不稳定,特别是在具有硫化物固态电解质的SSLBs中,复杂的副反应显著降低了界面相容性,电解质降解后形成的副产物将大大增加电池的阻抗。除了正极/固态电解质界面以外,本体正极材料的内部界面是另一个瓶颈,SSLBs正极中的粒子之间的间隙无法像液体电解液体系中一样得到有效润湿,正极内部缺乏连续快速的锂离子传输通道。因此,如何构造高效、稳固的正极/固态电解质界面是固态锂电池发展的巨大的挑战。

为实现电极/SSE界面之间的良好兼容性,研究人员采用人工缓冲层来优化SSLBs中的界面。它们可以提供稳定的界面,改善物理接触和化学/电化学稳定性。在过去的几年中,关于涂层修饰电极/SSE界面的相关研究已经有了大量的报道,并取得了很大的成功。但在电极/SSE之间构建良好的界面接触和布置电子/离子传输通道仍然是一个巨大的挑战。纳米线(NW)材料的柔韧性可以有效缓解电极材料在循环过程中体积膨胀引起的界面压力,并作为固态聚合物材料中的添加剂为快速离子传导提供直接途径。对于正极材料,钒氧化物因其较高的理论容量而被认为是各种电池系统富有前景的电极材料,也被用作SSLBs的正极材料。

武汉理工大学麦立强教授、徐林教授设计了一种具有梯度聚合物界面的复合纳米线正极以用于SSLBs,相关结果以题为“Flexible Nanowire Cathode Membrane with Gradient Interfaces and Rapid Electron/Ion Transport Channels for Solid‐State Lithium Batteries”发表在《Adv. Energy Mater.》(DOI:10.1002/aenm.202100026)上。在这种独特的梯度正极中,两个聚氧化乙烯(PEO)梯度分布界面被构造成两个表面的界面缓冲层。具有较多离子导电聚合物的一侧表面提供与SSE的平滑接触,而具有较多电子导电性H2V3O8 NWs/rGO的另一侧超薄层作为集流体提供快速的电子传输。此外,内部NW正极材料被rGO和PEO基固态聚合物电解质(SPE)均匀包覆,这种强结合使正极/SSE之间的点对点接触变为大面积接触,从而为快速电子/离子传输提供了连续通道,并改善了结构稳定性。聚合物固态电解质填充了正极的所有间隙,提高了集成正极的结构强度。由于正极/SSE、正极/集流体和正极内部结构的界面工程,这种新型梯度NW正极膜具有较高的Li+扩散效率、较低的阻抗、优异的循环性能和稳定性。因此,这种新型梯度界面工程设计为解决SSLBs中的固-固界面问题开辟了一条新的途径。