EES：拓寬用于固態鋰金屬電池的固態離子導體選擇

一、【導讀】

過去的固態電池研究中，尋找同時具有電子絕緣性、在低電壓和高電壓下穩定以及可持續性的固態離子導體是一個具有挑戰性的任務。目前廣泛使用的陶瓷鋰離子導體在平衡所有這些標準方面存在困難，并且在應用于固態鋰金屬電池時選擇有限。來自美國加州大學爾灣分校忻獲麟教授團隊提出了一種新的固態電解質設計范式，即在兩個固態電子隔離層之間夾入陶瓷鋰離子導體，以允許更廣泛范圍的陶瓷鋰離子導體應用于固態鋰金屬電池，并解決陶瓷鋰離子導體的電子絕緣性和（電）化學穩定性要求的問題。

二、【成果掠影】

作者通過設計一種固態電子隔離層，將聚合物UVEA薄膜與無機LICs（LATP，LVO和LTO）結合，以提高電池的壽命并降低安全風險。UVEA薄膜具有高室溫離子導電性、低電子導電性、寬電化學穩定窗口和相對較高的Li+傳輸數。它還具有良好的抗拉強度和彈性模量。將UVEA薄膜與LATP、LVO和LTO等無機LICs結合，可以改善基于LATP、LVO和LTO的三明治SSEs的整體離子導電性，從而實現更好的接觸和提供額外的離子傳輸途徑。相關研究成果以“Broadening solid ionic conductorselection for sustainable and earth-abundant solid-state lithium metalbatteries”為題發表在國際知名期刊Energy Environ. Sci.上。

三、【核心創新點】

1、首次報道了蜂梳上的彈射驅動的固體顆粒排斥現象，揭示了剛度梯度放大的彈射效應，以增強慣性輸出至可克服原本微觀尺度下占主導的粘附力，進而實現固體顆粒排斥。

2、作者利用傳統均勻設計中不可能實現的固體排斥性，構建了彈性仿生剛度梯度彈射器，并與太陽能板相結合，證明了其在構建自清潔系統以用于大型基礎設施自維護的普適性及實用性。

四、【數據概覽】

圖 1.界面 SSE 的示意圖和電化學性能 ? 2023 RSC

（a）-（b）反應型LIC和MEIC用作固態電解質時的電池失效機制示意圖

（c） 本文提出的三明治型固態電解質結構示意圖和工作機制

（d） 基于本文所提出的三明治型SSE設計

（e） 本文所采用的不同 LIC 的電化學穩定性窗口和電子電導率對比

圖2 UVEA-LVO-UVEA 電解液中沉積鋰金屬的形態和固體-電解質界面研究

? 2023 RSC

（a）Li//UVEA -MIEC//Cu電池結構示意圖

（b）-（c）從Li//UVEA- MIEC//Cu電池中提取的MIEC（LVO）顆粒的掃描電鏡圖像

（d）Li//UVEA-MIEC-UVEA //Cu電池的結構示意圖

（e）使用Li//UVEA-MIEC-UVEA//Cu電池在Cu上電鍍Li⁰的俯視SEM圖像

（f）從Li//UVEA-MIEC-UVEA//Cu電池中提取MIEC (LVO)沉淀的橫截面SEM圖像

（g）顯示使用UVEA-LVO-UVEA三明治電解質在Cu網上沉積Li⁰的形態的低倍冷凍-TEM圖像

（h）Li⁰沉積物的代表性高倍冷凍-TEM圖像和相應的EDP

（i）具有SEI的沉積Li⁰的原子分辨率低溫-TEM圖像

圖3 UVEA-LATP-UVEA 電解質中沉積鋰金屬的界面電阻、形態和固體-電解質界面研究 ? 2023 RSC

（a）-（b）Li//LATP//Li和Li//UVEA-LATP-UVEA//Li對稱電池在原始狀態下的EIS

（c）Ti 2p XPS譜圖

（d）LATP顆粒的實物圖像

（e）銅箔表面上沉積的Li⁰的SEM圖像

（f）低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）圖像

（g）沉積物的電子衍射圖

（h）高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像和能量色散光譜（EDS）圖

（i）Li⁰沉積物的原子分辨率低溫TEM圖像

（j）SEI中Li₂O納米晶體

（k）循環Li//UVEA-LATP-UVEA//Li中Li⁰的F 1s XPS譜

（l）循環Li//UVEA-LATP-UVEA//Li中Li⁰的N 1s XPS譜

圖4 . 界面 SSE 的電化學特性 ? 2023 RSC

（a）室溫下在Li//Li對稱電池中測試的UVEA -LATP-UVEA的臨界電流密度

（b）固態Li//UVEA-LATP-UVEA//Li和Li//UVEA//Li電池放電/充電曲線

（c）Li//UVEA-LATP-UVEA//NMC 811和Li//UVEA//NMC811電池在0.2 C下的循環穩定性

（d）Li//UVEA-LATP-UVEA//NMC 811電池在0.2 C下的相應充電/放電曲線

（e）在理論N/P比為2.25的情況下，具有NMC811陰極的基于裸UVEA和三明治型SSEs的固態電池的循環性能

五、【總結】

總之，研究人員介紹了一種固態電解質配置，可有效拓寬電池無機離子導體的選擇。關鍵的設計原則是用離子導電但電子絕緣的固體隔膜來保護無機離子導體。作者已經徹底證明了三種高度不同的鋰離子導體（從傳統固體電解質到電極活性材料）在全固態鋰金屬全電池中的可行性，具有優異的循環性能和低N/P比。這項工作為在固態鋰電池中應用傳統的反應性和電子導電無機鋰離子導體提供了一種直接解決方案。 SSE架構設計策略拓寬了SSE的選擇和設計，在降低SSE成本和進一步提高其可持續性方面顯示出巨大潛力。。

原文詳情：

Broadening solid ionic conductor selection for sustainable and earth-abundant solid-state lithium metal batteries. Energy Environ. Sci. ?DOI: 10.1039/D3EE02657D.本文由尼古拉斯供稿