Adv. Mater: 用于固態鋰金屬電池的由仿生結構啟發的固態電解質

【引言】

由于便攜式電子設備和電動汽車的快速增長，對于具有高能量密度下一代鋰電池的需要變得更為迫切。然而，隨著電池能量密度的增加，鋰電池在熱穩定性方面變得更加薄弱。諸如機械損壞和電池內部鋰枝晶生長之類的故障容易引發熱失控和爆炸。不可燃的固態電解質（SSE）是一個潛在的良好的解決方案。在過去的幾十年里，已開發出各種具有高離子電導率的陶瓷電解質。然而，陶瓷的斷裂韌性低，其易受外部沖擊（例如釘刺和沖擊）的影響。另一方面，聚合物電解質雖然是柔性的且易于加工，但是它們的機械強度不足以抑制鋰枝晶，特別是在高電流密度下。為了應對這些挑戰，研究者已經對聚合物/陶瓷復合電解質進行了廣泛的研究，其中將陶瓷電解質分散在聚合物基質中以增強機械強度。盡管這樣的復合材料增加了固體電解質的韌性，但是與純陶瓷電解質相比楊氏模量和機械強度仍大大降低。此外，由于聚合物相的體積通常超過30％，并且固體聚合物電解質的離子電導率要低得多，因此添加聚合物電解質會大大降低復合材料的離子電導率。

【成果簡介】

近日，哥倫比亞大學楊遠教授（通訊作者）團隊，受珍珠層中“CaCO₃片晶-蛋白質”微結構的啟發，提出了一種仿珍珠層狀陶瓷/聚合物復合固態電解質(NCPE）結構策略。與純陶瓷電解質相比，NCPE的極限彎曲強度略有降低，而斷裂應變較高，可以承受外部形變。組裝好的固態LFP/LAGP–PEO NCPE/Li電池在0.5 C循環300次具有92％的容量保持率。即使在10 N的外部壓力下，LFP/LAGP–PEA?NCPE/Li的軟包電池也可以提供穩定的功率輸出。這項工作為固態鋰金屬電池提供了一種新的固態電解質設計方案。相關研究成果以“Nacre-Inspired Composite Electrolytes for Load-Bearing Solid-State Lithium-Metal Batteries”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一仿珍珠層狀陶瓷/聚合物復合電解質的設計和制造示意圖。

（a）珍珠母中交錯的“磚泥房”微結構示意圖。

（b）NCPE的制備示意圖。

圖二NCPEs的相關表征。

（a）尺寸為5 cm×5 cm的LAGP–PEO NCPE的光學照片。

（b）LAGP–PEO，LAGP–PEA和LAGP–Epoxy的各種NCPE中LAGP陶瓷的體積百分比。

（c，d）PEO滲透和熱壓之前的LAGP多層片的橫截面SEM圖像（c）和LAGP-PEO NCPE膜顯示了熱壓之后交錯的微觀結構（d）。

圖三NCPE的機械性能

?（a）加工后的LAGP–PEO NCPE和純陶瓷膜的沖擊測試，顯示出LAGP–PEO NCPE膜具有更高的耐沖擊性。

（b）通過三點彎曲試驗，NCPE和純陶瓷膜的彎曲應力-應變曲線。

（d，e）純陶瓷膜和LAGP–PEO NCPE膜在60 N（d）和120 N（e）的載荷下的維氏壓痕。

（h）LAGP–PEO NCPE的斷裂面SEM圖像。

（i）在純PEO和LAGP–PEO NCPE薄膜上進行點火測試的光學圖像。

圖四NCPE和基于NCPE的全電池的電化學性能

（a）NCPE的離子電導率與溫度的關系圖。

（b）帶有純PEO和LAGP–PEO NCPE的Li/Li對稱電池在60°C時具有1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2的循環性能。

（c–e）LFP/LAGP-PEO?NCPE/Li和LFP/PEO/Li電池在60°C時的循環性能。

（f–h）LFP/LAGP-PEA NCPE/Li和LFP/PEA/Li電池在25°C時的循環性能。

圖五基于NCPE的全電池的機械穩定性。

?（a）在點壓力作用下使懸浮的軟包電池形變的示意圖。

（b-d）軟包電池在各種壓力下的形變。

（e）LFP/PEA/Li，LFP/LAGP/Li和LFP/LAGP-PEA NCPE/Li電池在10 N點載荷下在0.2 C時的循環性能。

（f，g）LFP/LAGP-PEA NCPE/Li軟包電池在無負載（f）和10 N負載（g）下點亮LED。

【小結】

總之，本文制造了具有特殊微結構的珍珠層狀陶瓷/聚合物復合電解質，解決了高強度純陶瓷電解質中的低韌性與純聚合物電解質中強度低之間的難題。基于NCPE在LFP / Li軟包電池經過100次循環后具有95.6％的高容量保持率，即使在受到外部壓力也能維持穩定的功率輸出。該策略為固態電池提供了一種有潛力的抗沖擊復合電解質。對構筑良好機械性能與電化學性能的固態電解質膜結構設計提供了新思路，對實現高性能高安全性和高能量密度的鋰金屬電池的應用具有一定潛在價值。

文獻鏈接：“Nacre-Inspired Composite Electrolytes for Load-Bearing Solid-State Lithium-Metal Batteries”(Adv.Mater.?DOI:DOI: 10.1002/adma.201905517)

?本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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