中科院化學所JACS：離子導體層減弱正極-固態電解質的界面電位，增強固態電池的界面動力學

【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。

文獻鏈接：Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries (JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b03319)。

【課題組介紹】

為解決鋰金屬電池循環中面臨的鋰枝晶及循環穩定性低等問題，中國科學院化學研究所郭玉國研究員的研究團隊近年來在固體電解質領域進行了廣泛而深入的研究。在科技部、國家自然科學基金委及中國科學院的大力支持下，研究團隊銳意進取，取得了一系列的重要成果和進展。

團隊在該領域工作匯總：

該團隊研究組研究人員致力于固體電解質方面的相關研究，設計了一系列高電導，界面穩定性好，抑制鋰枝晶的新型電解質。在前期工作中，首次提出利用光聚合將PEO與枝狀丙烯酸酯交聯，形成互穿網絡型的ipn-PEA固體電解質，解決了高離子電導與高機械強度間的矛盾，有效抑制鋰枝晶，作為領域內具有前瞻性的重要設計理念，為后續電解質結構研究提供了重要依據（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825）。隨后，研究人員結合聚合物和陶瓷電解質的優勢，設計了非對稱薄層電解質，利用LLZO的高機械強度阻擋鋰枝晶，而聚合物的柔軟特性改善正極界面接觸，得到高溫循環穩定且無鋰枝晶的LiFePO4全電池（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 82）。近日，針對正極與固體電解質界面不匹配的問題，他們報道了一種以離子導體緩沖層 (LATP) 修飾于正極表面平衡化學勢差的方法，AFM界面電勢測量證實了緩沖層帶來的電勢梯度降落，有效緩解了極化，抑制了副反應，提高了循環穩定性及動力學性能，為固-固界面的設計給出了重要的理論指導（J. Am. Chem. Soc., 2018, doi: 10.1021/jacs.8b03319）。

?【相關優質文獻推薦】：

（1）J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825

（2）J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 82

（3）J. Am. Chem. Soc., 2018, doi: 10.1021/jacs.8b03319

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