【引言】

 

鋰離子電池是目前商業化應用較為廣泛的新能源器件。但是鋰離子電池不能在高溫、高壓、含水等特殊場合使用，因為鋰離子電池在這些場合下存在嚴重的安全問題。其中最主要的就是鋰離子電池的電解液是液態的，容易發生泄漏、分解和變質等問題，導致電池發生爆炸、泄漏和失效等問題。因此開發不含液態電解質的固態電池就變得尤為重要。其中，由于空間電荷層導致的界面問題是影響高功率密度固體電池性能的重要因素，包括正極與固態電解質界面上的接觸不良、極化增加等。

 

【成果簡介】

 

近日，中科院化學所的郭玉國研究員和萬立駿院士（共同通訊）課題組，將優質的離子導體緩沖層Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃修飾到LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂上，減輕極化現象，提高動力學特性。采用具有界面電勢分析功能的原子力顯微鏡，研究修飾后正極的優異動力學的形成機理，揭示界面緩沖層對電勢分布和極化的影響。研究發現固態電池具有優異的循環穩定性和較高的倍率性能，這有助于固態電池中界面問題的研究。相關成果以“Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries”為題發表在JACS上。

 

【圖文導讀】

 

圖 1 L-NCM的XRD和TEM結構表征

（a）L-NCM的精修XRD圖；

（b）L-NCM的TEM圖像；

（c）L-NCM的HRTEM晶格條紋像；

（d）L-NCM的TEM圖及其EDS圖。

 

圖 2 P-NCM和L-NCM的動力學性能表征圖

（a）P-NCM的變速CV曲線圖；

（b）L-NCM的變速CV曲線圖；

（c）充電過程中，兩個正極的GITT和準平衡電位曲線；

（d）GITT曲線中，兩個正極的電壓極化和歐姆極化圖。

 

圖 3 P-NCM和L-NCM的AFM界面電勢表征

圖

（a）P-NCM的AFM界面電勢圖；

（b）L-NCM的AFM界面電勢圖；

（c）P-NCM的AFM界面電勢的三維圖；

（d）L-NCM的AFM界面電勢的三維圖；

（e）兩個正極的軸承分析和電勢分布示意圖；

（f）P-NCM的界面電勢高斯統計分布直方圖；

（g）L-NCM的界面電勢高斯統計分布直方圖；

 

圖 4 P-NCM和L-NCM的電池性能表征圖

（a）在1C下，兩個正極的首圈充放電曲線圖；

（b）在2C下，兩個正極的100圈循環曲線圖；

（c）兩個正極的第1圈、30圈和60圈的微分容量曲線圖

（d）兩個正極的第1圈、30圈和60圈的循環阻抗譜圖；

（e）兩個正極的倍率性能圖。

 

【小結】

 

本文將鋰離子導體緩沖層引入到正極表面上，在正極材料和固體電解質之間構建了良好的界面。在室溫固體電池中，LATP過渡層緩解極化并提高了動力學特性。通過AFM界面電勢測量可知，LATP的引入削弱空間電荷層，使界面處電勢梯度降落，減輕了極化，抑制了副反應，提高了循環穩定性和動力學性能。緩沖層的設計為增強固-固界面穩定性和動力學特性提出了一種簡便、有效的策略。