北京理工大學Advanced Functional Materials：固態鋰金屬電池界面電/化/力耦合問題

【成果簡介】

2019年4月16日，著名材料學期刊 《先進功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2019, 1900950.）在線報道了北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧院士，陳浩森副教授，宋維力副教授與北京理工大學材料學院陳人杰教授合作發表的固態鋰金屬電池界面電/化/力耦合問題綜述。該綜述從全新的電-力-化耦合的角度分析了固態鋰金屬電池中界面物理接觸和鋰沉積兩個關鍵的界面問題，并對相應的失效機理和解決方案進行了分析和展望。

近年來，電子信息、軌道交通、航空航天等許多領域對二次電池的能量密度的要求不斷提高，如何有效提高電池的能量密度是目前學術界、產業界關心的重要問題。而全固態鋰金屬電池因其能量密度高、電池結構安全簡單而一直被認為是最具前景的下一代高性能二次電池。目前，全固態鋰金屬電池的研發尚處于初步階段，固態電解質離子電導率、固-固界面接觸問題、鋰枝晶生長等一系列問題嚴重限制了其進一步發展和應用。

【圖文導讀】

圖1.固態鋰金屬電池界面電/化/力耦合失效問題示意圖

在該綜述中，作者將固態鋰金屬電池中關鍵的界面問題分為了兩種，即電極-電解質界面物理接觸問題和界面鋰沉積問題。在界面物理接觸問題中，其關鍵問題主要有材料自身兼容性差異引起的接觸問題（MIIC），電極材料變形斷裂引起界面接觸失效問題（DFIC）及電極材料體積變化引起的接觸失效問題（VCIC）。而鋰沉積的電-力-化耦合問題主要包括沉積誘導應力問題（PIS），枝晶生長引起SEI膜斷裂問題（GIS）以及電極變形引起的界面應力問題（DIS）。

圖2.固態鋰金屬電池界面問題多尺度、多場耦合研究方法

該團隊通過系統地文獻調研，從界面失效機理、原位觀測方法和理論計算研究三個方面系統地分析了固態鋰金屬電池界面的電-力-化耦合問題，并對相應的電-力-化耦合接觸理論、枝晶生長模型、高精度原位透射電鏡等的亟待解決的問題進行了詳細分析和展望。

圖3.電-力-化耦合界面改進方法（結構設計，應力調控）及固態鋰金屬電池應用前景

最后，該綜述從電-力-化耦合全新的角度對固態鋰金屬電池界面改性方法進行了分析和總結，并對固態鋰金屬電池的應用前景進行了展望。在界面物理接觸問題中，比較有效的方法是通過結構設計和電極表面改性提高電極-電解質界面接觸面積，以及優化電池裝配壓力。而在鋰沉積問題中，根據鋰枝晶的生長特性，可從枝晶形核、生長及穿刺三個階段進行調控和改性。在初始形核階段，主要通過調控沉積應力和枝晶生長織構來促進其均勻形核；在枝晶生長階段，主要可通過構筑三維電極結構來限制枝晶的生長；而在枝晶穿刺階段，其主要方法是通過層合、顆粒增強等結構設計方法來構筑高強度復合固態電解質來抑制枝晶穿刺。

北京理工大學方岱寧院士、陳人杰教授、陳浩森副教授、宋維力副教授為本文的共同通訊作者。北京理工大學博士生王鵬、屈文潔為本文的共同第一作者。

文獻鏈接：

“Electro–Chemo–Mechanical Issues at the Interfaces?in Solid-State Lithium Metal Batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201900950

本文由北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧團隊供稿。

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