近幾十年，鋰離子電池由于其高的能量密度被廣泛應(yīng)用于日常消費(fèi)類電子產(chǎn)品和電動汽車等裝置，被認(rèn)為是最具潛力的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化體系。

在過去的三十年，鋰離子電池的能量密度從80Whkg-1增長到240Whkg-1已接近其物理化學(xué)的極限。

因此，高能量密度體系的鋰金屬電池成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，鋰金屬負(fù)極搭配有機(jī)的商業(yè)化液態(tài)電解液由于枝晶的生長易造成嚴(yán)重的熱失控，存在巨大的安全隱患。固體電解質(zhì)的快速發(fā)展為解決鋰金屬電池中的安全問題提供了可靠的選擇。但是，由于固體電解質(zhì)與固態(tài)的鋰負(fù)極以及正極之間的固-固界面接觸，造成了較大的容量損失和接觸損失。因此，固體電解質(zhì)與固體電極之間的界面問題為固態(tài)鋰金屬電池進(jìn)一步的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。另外，凝膠電解質(zhì)體系的發(fā)展，在一定程度上緩和了固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的固-固界面問題，但是，由于有機(jī)液體電解液自身固有的易燃性，電池在高的工作溫度下的安全問題仍是潛在的威脅。因此，借助新的材料和工藝設(shè)計(jì)非易燃性且安全的固體電解質(zhì)界面十分必要。

【成果簡介】

近日，在中國科學(xué)院化學(xué)研究所郭玉國老師的悉心指導(dǎo)下，來自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)吳雄偉副教授成功的設(shè)計(jì)了具有粘彈性且非易燃的復(fù)合固體電解質(zhì)解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問題并實(shí)現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計(jì)在固體電解質(zhì)與正負(fù)極界面之間成功的構(gòu)筑了鋰離子傳輸通道，進(jìn)一步提升界面處的離子傳輸動力。得益于此新穎的設(shè)計(jì)，固態(tài)鋰金屬電池搭配LiFePO4(LFP)和LiCoO2(LCO)正極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能，0.5C下經(jīng)過100個(gè)循環(huán)容量保持率98%且在5C下發(fā)揮出97mAhg-1的容量。對循環(huán)后的鋰金屬負(fù)極進(jìn)行了一系列表征，結(jié)果表明在鋰負(fù)極沒有枝晶的生成，成功的實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1CPL-IL固體電解質(zhì)與固態(tài)鋰金屬電池結(jié)構(gòu)示意圖

示意圖(a)具有粘彈性界面的CPL固體電解;(b)搭配固體電解質(zhì)的電池結(jié)構(gòu)示意圖;固體電解質(zhì)與電極的接觸行為(c)正極界面處和(d)鋰金屬負(fù)極界面處。

圖2CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與形貌表征

CPL聚合物電解質(zhì)的掃描圖(a)截面圖(b)正面圖；CPL固體電解質(zhì)的光學(xué)照片(c)伸展態(tài)(d)彎曲態(tài)；(e)復(fù)合固體電解質(zhì)的透射電鏡圖(內(nèi)嵌：選區(qū)電子衍射圖)；(f)復(fù)合固體電解質(zhì)的元素分布圖。

圖3CPL固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能表征

CPL復(fù)合固體電解質(zhì)的表征：(a)XRD表征;(b)熱重曲線圖;(c)復(fù)合固體電解質(zhì)的電化學(xué)窗口測試圖;(d)變溫阻抗測試;(e)阿倫尼烏斯線性擬合圖;(f)直流極化曲線(內(nèi)嵌：極化前后阻抗變化)。

圖4鋰金屬固態(tài)電池電化學(xué)性能表征

Li|CPL-IL|LFP電池的(a)倍率性能圖;(b)相應(yīng)的恒流充放電曲線圖;(c)Li|CPL-IL|LCO電池不同循環(huán)的充放電曲線圖;(d)Li|CPL-IL|LCO電池在0.5C下的循環(huán)性能圖;(e)Li|CPL-IL|LFP電池在0.5C下的循環(huán)性能圖。

圖5循環(huán)完后鋰金屬表面結(jié)構(gòu)與成分分析

液態(tài)鋰金屬電池搭配不同正極循環(huán)后鋰負(fù)極的掃描電鏡圖(a,e)LFP正極;(c,g)LCO正極；相應(yīng)的固態(tài)電池循環(huán)完后掃描電鏡圖;(b,f)LFP正極;(d,h)LCO正極;(i)金屬鋰在液態(tài)電解質(zhì)與固態(tài)電解質(zhì)中的生長機(jī)制示意圖;循環(huán)完后鋰金屬表面的原子力顯微鏡測試圖(j)Li|CPL-IL|LFP電池;(k)Li|EDDL|LCO液態(tài)電池;循環(huán)完后鋰金屬表面的XPS結(jié)果(i)S2p,(m)C1s,(n)N1s和(o)F1s。

【總結(jié)】

通過粘彈性且安全的固體電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)成功的穩(wěn)定了固體電解質(zhì)與電極的界面接觸問題。在電極與固體電解質(zhì)見成功的構(gòu)筑了鋰離子的傳輸通道，解決了固體電解質(zhì)與電極的接觸問題和實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的均勻沉積。該設(shè)計(jì)為解決鋰金屬固態(tài)電池中電極與電解質(zhì)界面的接觸問題提供了實(shí)際和具有潛力的解決途徑。