中科院關(guān)于非對稱(chēng)結構固態(tài)電池研究取得新進(jìn)展
近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究室研究員方前鋒課題組通過(guò)設計非對稱(chēng)結構固態(tài)電池，研究了鋰離子在固態(tài)電池中的沉積及傳輸規律，為探究全固態(tài)鋰電池中鋰枝晶的生長(cháng)及抑制機理提供了重要參考。相關(guān)研究成果以Intragranular growth and evenly distribution mechanism of Li metal in Li7La3Zr2O12 electrolyte 為題發(fā)表在Journal of power sources上。
鋰離子電池能量密度高、穩定性強、循環(huán)壽命長(cháng)，作為一種商業(yè)化的高效儲能器件得到了廣泛應用。然而，由于商用鋰離子電池中使用易燃的有機電解液，當電池處于高溫、短路、過(guò)充或者物理?yè)p傷等狀態(tài)時(shí)，極易引發(fā)火災甚至爆炸。所以使用不可燃的無(wú)機固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是解決鋰電池安全性問(wèn)題最為有效的方法之一。然而，由于鋰離子在負極沉積過(guò)程中，會(huì )自發(fā)形成樹(shù)枝狀的鋰枝晶，其尖銳結構容易刺破隔膜，導致電池短路，造成安全隱患。因此，采用無(wú)機固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)有機電解液，并有效抑制充放電過(guò)程中鋰枝晶的生長(cháng)，可較好地解決鋰離子電池的安全問(wèn)題，而正確認識鋰離子在固態(tài)電池中的沉積及傳輸過(guò)程，對于抑制鋰枝晶生長(cháng)，防止電池短路至關(guān)重要。
為此，科研人員通過(guò)將電解質(zhì)兩側金屬鋰電極設計成互為垂直結構，構筑了非對稱(chēng)結構的固態(tài)電池（圖1a），通過(guò)觀(guān)察鋰在電解質(zhì)表面沉積狀態(tài)來(lái)推斷鋰離子在電解質(zhì)內部的傳輸過(guò)程。同時(shí)，在電解質(zhì)表層中心區域濺射Au原子層，通過(guò)與未濺射Au原子層區域相比較，獲取Au原子層對鋰離子沉積的影響規律。研究結果表明，電解質(zhì)表層的電子分布狀態(tài)會(huì )直接影響電解質(zhì)內鋰離子的傳輸路徑（圖1b），使得來(lái)自電解質(zhì)上表層的鋰離子在電解質(zhì)內呈發(fā)散狀傳輸。進(jìn)一步分析發(fā)現，在未濺射Au濺射區，鋰離子沉積呈現為無(wú)規則區域富集分布狀態(tài)（圖1a中藍框內左側區域），將誘導鋰枝晶生長(cháng)進(jìn)而誘發(fā)短路現象發(fā)生。而在濺射有Au原子層區域，鋰離子沉積呈現為均勻球形顆粒分布狀態(tài)（圖1a中紅框區域及藍框內右側區域），有效抑制了由于鋰枝晶的生長(cháng)帶來(lái)的鋰離子電池的安全隱患。該工作的開(kāi)展為全固態(tài)電池界面性能優(yōu)化及安全性能提升提供了理論與實(shí)驗基礎。
該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的支持。
圖1：（a）鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)表面不同區域沉積形貌；（b）鋰離子傳輸及沉積示意圖。
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