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中科院關(guān)于非對稱結(jié)構(gòu)固態(tài)電池研究取得新進展
發(fā)布時間:2020-04-27 09:49:00

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(nèi)耗與固體缺陷研究室研究員方前鋒課題組通過設(shè)計非對稱結(jié)構(gòu)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(guī)律,為探究全固態(tài)鋰電池中鋰枝晶的生長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。


中科院關(guān)于非對稱結(jié)構(gòu)固態(tài)電池研究取得新進展


鋰離子電池能量密度高、穩(wěn)定性強、循環(huán)壽命長,作為一種商業(yè)化的高效儲能器件得到了廣泛應(yīng)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、過充或者物理損傷等狀態(tài)時,極易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。所以使用不可燃的無機固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液,是解決鋰電池安全性問題最為有效的方法之一。然而,由于鋰離子在負極沉積過程中,會自發(fā)形成樹枝狀的鋰枝晶,其尖銳結(jié)構(gòu)容易刺破隔膜,導(dǎo)致電池短路,造成安全隱患。因此,采用無機固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)有機電解液,并有效抑制充放電過程中鋰枝晶的生長,可較好地解決鋰離子電池的安全問題,而正確認識鋰離子在固態(tài)電池中的沉積及傳輸過程,對于抑制鋰枝晶生長,防止電池短路至關(guān)重要。


為此,科研人員通過將電解質(zhì)兩側(cè)金屬鋰電極設(shè)計成互為垂直結(jié)構(gòu),構(gòu)筑了非對稱結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池(圖1a),通過觀察鋰在電解質(zhì)表面沉積狀態(tài)來推斷鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)部的傳輸過程。同時,在電解質(zhì)表層中心區(qū)域濺射Au原子層,通過與未濺射Au原子層區(qū)域相比較,獲取Au原子層對鋰離子沉積的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,電解質(zhì)表層的電子分布狀態(tài)會直接影響電解質(zhì)內(nèi)鋰離子的傳輸路徑(圖1b),使得來自電解質(zhì)上表層的鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)呈發(fā)散狀傳輸。進一步分析發(fā)現(xiàn),在未濺射Au濺射區(qū),鋰離子沉積呈現(xiàn)為無規(guī)則區(qū)域富集分布狀態(tài)(圖1a中藍框內(nèi)左側(cè)區(qū)域),將誘導(dǎo)鋰枝晶生長進而誘發(fā)短路現(xiàn)象發(fā)生。而在濺射有Au原子層區(qū)域,鋰離子沉積呈現(xiàn)為均勻球形顆粒分布狀態(tài)(圖1a中紅框區(qū)域及藍框內(nèi)右側(cè)區(qū)域),有效抑制了由于鋰枝晶的生長帶來的鋰離子電池的安全隱患。該工作的開展為全固態(tài)電池界面性能優(yōu)化及安全性能提升提供了理論與實驗基礎(chǔ)。


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。


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圖1:(a)鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)表面不同區(qū)域沉積形貌;(b)鋰離子傳輸及沉積示意圖。


稿件來源: 賢集網(wǎng)
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