中國科大打破鋰電池固態電解質研究瓶頸

近日，頂級學術期刊《Matter》刊登中國科學技術大學的馬騁教授和合作者的最新成果，他們提出一種新策略，可以有效解決下一代固態鋰電池中電極材料和固態電解質接觸差這一關鍵問題，合成出的固態復合物電極展現出優異的容量和倍率性能。

相比于通常使用的冷壓方法，新方案可以在原子尺度實現固態電解質和電極的充分、緊密接觸。圖中原子分辨率的電子顯微鏡照片直接證實了這一緊密接觸。 中國科大供圖

據介紹，當前主流鋰電池使用液態電解質，這存在起火等安全隱患，且特定體積內能夠儲存的能量有限。但能解決這些問題的下一代固態鋰電池仍存在很多尚未攻克的難題。

用固態電解質替換傳統鋰離子電池中的有機液態電解質可以極大緩解安全問題，且有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流電極材料也是固態物質。由于兩種固態物質之間的接觸幾乎不可能像固-液接觸那樣充分，目前使用固態電解質的電池難以實現良好的電極-電解質接觸，電池整體性能也并不令人滿意。

“固態電池的電極-電解質接觸問題就像木桶的短板。”馬騁教授說，“近年來研究者們已經研發出多種性能優異的電極和固態電解質，但因為兩者間難以實現良好的接觸，鋰離子的傳輸效率受到很大限制?！?

馬騁團隊及其合作者的方法有望解決這個難題。他們通過對一種經典鈣鈦礦結構的固態電解質中的雜質相進行原子級觀測，雖然雜質和固態電解質結構迥異，研究者卻觀察到他們的原子在界面處能以相互外延的形式排布。

經過一系列細致的結構和化學分析，研究者發現這一雜質相和高容量的富鋰層狀物電極結構相同。換言之，上述經典固態電解質能夠以一種高性能正極的原子結構為模板進行結晶，從而在原子尺度形成緊密的界面。

“這是個驚喜?！蔽恼碌谝蛔髡?，中國科學技術大學的碩士研究生李富振說，“在材料中存在缺陷本來是一個很平常的現象，平常到了大部分時候會被人忽略的程度。但是，在對它們進行了細致觀測以后，我們發現了意料之外的外延行為，正是這一發現啟發了我們用于改進固-固接觸的策略?！?

利用觀察結果，研究者將成分和鈣鈦礦固態電解質相同的非晶粉末在富鋰層狀物顆粒的表面做成結晶，成功地在新復合物電極中實現兩種固態材料間充分、緊密的接觸。解決了電極-電解質接觸問題，這種固-固復合物電極的倍率性能可以和和固-液復合物電極相媲美。

更重要的是，研究者們還發現這種外延的固-固接觸可以容忍很大的晶格錯配，因此他們提出的策略可適用于多種鈣鈦礦固態電解質和層狀電極。

“這項工作指明了一個值得探索的新方向?！瘪R騁教授說，“將這種原理應用到其他重要材料中也許能開發出更好的電池性能，引出更有意思的科學問題。我們對此相當期待。”

研究團隊將沿著這個方向繼續探索，并將他們提出的策略應用到其他高容量、高電位的正極中。

合作團隊包括清華大學的南策文院士團隊和美國Ames Laboratory的Lin Zhou博士等?！禡atter》是Cell出版集團下新推出的旗艦學術期刊。