【引言】
锂离子电池是目前商业化应用较为广泛的新能源器件。但是锂离子电池不能在高温、高压、含水等特殊场合使用,因为锂离子电池在这些场合下存在严重的安全问题。其中最主要的就是锂离子电池的电解液是液态的,容易发生泄漏、分解和变质等问题,导致电池发生爆炸、泄漏和失效等问题。因此开发不含液态电解质的固态电池就变得尤为重要。其中,由于空间电荷层导致的界面问题是影响高功率密度固体电池性能的重要因素,包括正极与固态电解质界面上的接触不良、极化增加等。
【成果简介】
近日,中科院化学所的郭玉国研究员和万立骏院士(共同通讯)课题组,将优质的离子导体缓冲层Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3修饰到LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2上,减轻极化现象,提高动力学特性。采用具有界面电势分析功能的原子力显微镜,研究修饰后正极的优异动力学的形成机理,揭示界面缓冲层对电势分布和极化的影响。研究发现固态电池具有优异的循环稳定性和较高的倍率性能,这有助于固态电池中界面问题的研究。相关成果以“Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries”为题发表在JACS上。
【图文导读】
图 1 L-NCM的XRD和TEM结构表征
(a)L-NCM的精修XRD图;
(b)L-NCM的TEM图像;
(c)L-NCM的HRTEM晶格条纹像;
(d)L-NCM的TEM图及其EDS图。
图 2 P-NCM和L-NCM的动力学性能表征图
(a)P-NCM的变速CV曲线图;
(b)L-NCM的变速CV曲线图;
(c)充电过程中,两个正极的GITT和准平衡电位曲线;
(d)GITT曲线中,两个正极的电压极化和欧姆极化图。
图 3 P-NCM和L-NCM的AFM界面电势表征图
(a)P-NCM的AFM界面电势图;
(b)L-NCM的AFM界面电势图;
(c)P-NCM的AFM界面电势的三维图;
(d)L-NCM的AFM界面电势的三维图;
(e)两个正极的轴承分析和电势分布示意图;
(f)P-NCM的界面电势高斯统计分布直方图;
(g)L-NCM的界面电势高斯统计分布直方图。
图 4 P-NCM和L-NCM的电池性能表征图
(a)在1C下,两个正极的首圈充放电曲线图;
(b)在2C下,两个正极的100圈循环曲线图;
(c)两个正极的第1圈、30圈和60圈的微分容量曲线图
(d)两个正极的第1圈、30圈和60圈的循环阻抗谱图;
(e)两个正极的倍率性能图。
【总结】
本文将锂离子导体缓冲层引入到正极表面上,在正极材料和固体电解质之间构建了良好的界面。在室温固体电池中,LATP过渡层缓解极化并提高了动力学特性。通过AFM界面电势测量可知,LATP的引入削弱空间电荷层,使界面处电势梯度降落,减轻了极化,抑制了副反应,提高了循环稳定性和动力学性能。缓冲层的设计为增强固-固界面稳定性和动力学特性提出了一种简便、有效的策略。
文献链接: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)。
