固態(tài)鋰電池具有高安全性、高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和回收方便等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代革命性的電池技術(shù)，已成為電池研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。在諸多固態(tài)電池材料體系中，NASCION型固態(tài)電解質(zhì)具有鋰離子電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性高、電化學(xué)窗口寬及成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，具有推動(dòng)高容量固態(tài)電池實(shí)用化的巨大潛力。然而，NASCION型固態(tài)電解質(zhì)對(duì)金屬鋰負(fù)極的化學(xué)穩(wěn)定性差和界面阻抗高嚴(yán)重阻礙其在固態(tài)全電池中的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，西安交通大學(xué)宋江選教授與瑞典查爾莫斯理工大學(xué)AleksandarMatic教授合作，提出了一種全新的界面改性策略。該工作在固態(tài)電解質(zhì)和金屬鋰負(fù)極之間設(shè)計(jì)一種由固態(tài)電解質(zhì)納米顆粒和離子液體電解液復(fù)合而成的多功能界面層，在電池負(fù)極側(cè)形成低阻抗、高穩(wěn)定性和高安全性的界面，從而顯著實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池電化學(xué)性能大幅度躍升。該界面中間層的離子液體電解質(zhì)具有高安全性和對(duì)鋰化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)納米顆?？梢詣蚧囯x子在電極表面擴(kuò)散通量從而抑制鋰枝晶生成?；谏鲜霾呗灾苽涞墓虘B(tài)全電池庫(kù)倫效率和循環(huán)壽命得到明顯提高。本工作為NASCION型固態(tài)電解質(zhì)在高能量密度電池中的實(shí)用化研究提供了一種新思路。

近日，該研究成果以“NASCION基固態(tài)鋰電池多功能中間層設(shè)計(jì)”為題發(fā)表在國(guó)際材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》上，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本文的第一通訊單位，第一作者為熊仕昭博士和博士生劉洋洋，宋江選教授為共同通訊作者。

與此同時(shí)，課題組在固態(tài)電池鋰金屬負(fù)極和高比容鉀離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域也連續(xù)取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國(guó)際知名期刊Small和中國(guó)卓越期刊《中國(guó)科學(xué)：材料科學(xué)》上。上述研究成果均以西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位，宋江選教授為通訊作者。這些研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目/特色產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)項(xiàng)目、西安交大青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目共同資助。

中科大在固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機(jī)理上取得重要發(fā)現(xiàn)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授課題組在鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的離子傳輸機(jī)理上取得重要發(fā)現(xiàn)。研究者用球差校正透射電鏡直接觀測(cè)到了一種奇特的非周期性機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)盡管只有一個(gè)原子層厚，但卻能對(duì)鋰離子的傳輸產(chǎn)生顯著影響，從而成為除了晶界、點(diǎn)缺陷以外的又一類需要受到固態(tài)鋰電池研究者密切關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)。該研究成果近日以“Single-atom-layertrapsinasolidelectrolyteforlithiumbatteries”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《NatureCommunications》上。

全固態(tài)鋰電池因兼具安全性和高能量密度成為當(dāng)前電池研究的熱點(diǎn)，而成功構(gòu)筑這一電池的關(guān)鍵在于找到合適的固態(tài)電解質(zhì)。為了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)具備高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)，研究者必須先充分理解其中鋰離子的傳輸機(jī)理。對(duì)固態(tài)電解質(zhì)而言，擾動(dòng)理想晶體結(jié)構(gòu)的“非周期性結(jié)構(gòu)”可以對(duì)離子電導(dǎo)率帶來(lái)數(shù)量級(jí)的改變，因此它們對(duì)于理解離子傳輸機(jī)理至關(guān)重要。以往的研究中，受到普遍關(guān)注的非周期性結(jié)構(gòu)主要包括晶界和點(diǎn)缺陷這兩大類，而上述工作則發(fā)現(xiàn)了一類新的可以劇烈影響離子傳輸?shù)姆侵芷谛越Y(jié)構(gòu)。

通過(guò)球差校正透射電鏡對(duì)經(jīng)典固態(tài)電解質(zhì)Li0.33La0.56TiO3的觀測(cè)，研究者發(fā)現(xiàn)了大量單原子層缺陷，并且這些缺陷相互之間會(huì)形成閉合回路。顯微學(xué)和理論計(jì)算的綜合分析表明，盡管這些缺陷只有一個(gè)原子層厚，它的特殊原子構(gòu)型卻可以徹底阻止鋰離子穿過(guò)。當(dāng)這些缺陷相互結(jié)合形成閉環(huán)時(shí)，被封閉體積中的鋰離子將無(wú)法逃離，而其外部的鋰離子也無(wú)法進(jìn)入，從而使得這部分材料實(shí)質(zhì)上無(wú)法參與離子傳輸。電鏡觀測(cè)已證實(shí)該現(xiàn)象在樣品中大量存在，而且Li0.33La0.56TiO3的離子電導(dǎo)率將因此下降約1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。研究者把這種獨(dú)特的非周期性結(jié)構(gòu)命名為“單壁鋰阱”（single-atom-layertrap,SALT）。在未來(lái)的研究中，如果能減少甚至避免單壁鋰阱的形成，離子電導(dǎo)率將獲顯著提升。研究者正在往這個(gè)方向進(jìn)行進(jìn)一步探索。這一發(fā)現(xiàn)為離子傳輸機(jī)理的研究和材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化都提出了新的方向。

《NatureCommunications》的審稿人對(duì)該工作給予高度肯定，認(rèn)為“這篇文章讀起來(lái)激動(dòng)人心，報(bào)道了一個(gè)非常新奇的觀測(cè)結(jié)果”(“thiswasanexcitingmanuscripttoread,reportingonaverynovelobservation”)，并且認(rèn)為“它將在固態(tài)電解質(zhì)/固態(tài)電池領(lǐng)域，甚至更普遍的在材料科學(xué)和電子顯微學(xué)共同體中激起廣泛討論”（“Iwould…expectthatitstirsupquitesomediscussionbothinthesolidelectrolyte/solid-statebatteryfieldaswellasgenerallyinthematerialscienceandelectronmicroscopycommunities”）。

該論文的第一單位為中國(guó)科大，共同第一作者依次為中國(guó)科大的博士生朱峰、美國(guó)馬里蘭大學(xué)的博士生MdShafiqulIslam、美國(guó)AmesLaboratory的LinZhou博士，共同通訊作者依次為美國(guó)馬里蘭大學(xué)的莫一非教授和中國(guó)科大的馬騁教授。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育基金等項(xiàng)目的資助。