Advanced Energy Materials:高压硫化物全固态电池行不行?双向兼容缓冲层来助力

相比于传统的液态锂电池,全固态锂电池由于具有更高的能量和功率密度、更好的安全性和宽温区应用等优点,被认为是下一代关键储能技术之一。得益于硫化物固态电解质超高的离子电导率(10–3–10–2 S·cm−1)和固有的柔软性(可实现良好的电极/电解质接触、较低的晶界阻抗和一定的机械强度),硫化物全固态锂电池具有非常高的商业化前景。但是,硫化物固态电解质的电化学窗口窄,难以匹配更高能量密度的高电压(尤其>4.3 V时)正极材料体系,这极大地限制了全固态电池的能量密度提升。而且,氧化物正极和硫化物固态电解质之间较大的晶格失配和电化学势差异使得高压硫化物全固态锂电池的发展前景略显暗淡。

高压全固态锂电池的界面稳定性和锂离子传输动力学不仅取决于电解质的电化学稳定窗口和离子导电性,也受界面和中间相化学的影响。基于此,中科院青岛能源所崔光磊研究员和马君副研究员联合以色列巴伊兰大学Malachi Noked教授报道了一种双向兼容的缓冲层设计方案,以克服高压硫化物全固态锂电池的界面挑战。根据第一性原理计算和多种原位/非原位表征结果,发现NASICON型LixZr2(PO4)3是一种非常典型的双向兼容的缓冲层,不仅与4.5 V LiCoO2氧化物正极和Li6PS5Cl硫化物电解质都具有非常好的界面相容性,而且显著降低了LiCoO2/Li6PS5Cl的界面锂离子迁移势垒,从而同时起到限制界面副反应和促进界面锂离子传输的作用。因此,4.5 V的高压硫化物全固态锂电池展现出显著提高的初始放电比容量(0.2C下143.3 vs. 125.9 mAh·g−1)、容量保持率(100圈后95.53% vs. 74.74%)和倍率性能(2C下97 vs. 45 mAh·g−1)。该工作详细论证了双向兼容缓冲层的设计策略和作用机制,展示了高压硫化物全固态锂电池的广阔发展前景,并为高性能的高压硫化物全固态锂电池的界面和中间相化学的合理设计迈出了关键性的一步。

通讯作者介绍

崔光磊,中科院青岛能源所研究员,博士生导师,国务院特殊津贴专家,科技部中青年科技创新领军人才,国家杰出青年科学基金获得者,国家新能源汽车专项固态电池项目首席科学家,中科院深海智能技术先导专项副总师和能源项目负责人。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位,2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究,2009年2月以中科院百人计划研究员到中科院青岛生物能源与过程所工作。现任中科院青岛能源所学位委员会主任、学术委员会副主任、固态能源系统技术中心主任,青岛储能产业技术研究院执行院长,国际聚合物电解质委员会理事、国际储能创新联盟理事、中国化学会电化学委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Chem. Soc. Rev.Nat. Commun.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Energy Environ. Sci.JouleChemMatter等发表文章300余篇,他引16000余次,申请国家专利200余项,授权97项,申请PCT专利6项,授权欧洲专利1项,出版《动力锂电池中聚合物关键材料》一部,获得山东省自然科学奖一等奖。

论文信息:

Bidirectionally Compatible Buffering Layer Enables Highly Stable and Conductive Interface for 4.5 V Sulfide-Based All-Solid-State Lithium Batteries

Longlong Wang, Xingwei Sun, Jun Ma*, Bingbing Chen, Chao Li, Jiedong Li, Liang Chang, Xinrun Yu, Ting-Shan Chan, Zhiwei Hu, Malachi Noked*, Guanglei Cui*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100881

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100881