中科院化学所JACS：离子导体层减弱正极-固态电解质的界面电位，增强固态电池的界面动力学

【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Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃修饰到LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂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。

【小结】

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)。

【课题组介绍】

为解决锂金属电池循环中面临的锂枝晶及循环稳定性低等问题，中国科学院化学研究所郭玉国研究员的研究团队近年来在固体电解质领域进行了广泛而深入的研究。在科技部、国家自然科学基金委及中国科学院的大力支持下，研究团队锐意进取，取得了一系列的重要成果和进展。

团队在该领域工作汇总：

该团队研究组研究人员致力于固体电解质方面的相关研究，设计了一系列高电导，界面稳定性好，抑制锂枝晶的新型电解质。在前期工作中，首次提出利用光聚合将PEO与枝状丙烯酸酯交联，形成互穿网络型的ipn-PEA固体电解质，解决了高离子电导与高机械强度间的矛盾，有效抑制锂枝晶，作为领域内具有前瞻性的重要设计理念，为后续电解质结构研究提供了重要依据（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825）。随后，研究人员结合聚合物和陶瓷电解质的优势，设计了非对称薄层电解质，利用LLZO的高机械强度阻挡锂枝晶，而聚合物的柔软特性改善正极界面接触，得到高温循环稳定且无锂枝晶的LiFePO4全电池（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 82）。近日，针对正极与固体电解质界面不匹配的问题，他们报道了一种以离子导体缓冲层 (LATP) 修饰于正极表面平衡化学势差的方法，AFM界面电势测量证实了缓冲层带来的电势梯度降落，有效缓解了极化，抑制了副反应，提高了循环稳定性及动力学性能，为固-固界面的设计给出了重要的理论指导（J. Am. Chem. Soc., 2018, doi: 10.1021/jacs.8b03319）。

 【相关优质文献推荐】：

（1）J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825

（2）J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 82

（3）J. Am. Chem. Soc., 2018, doi: 10.1021/jacs.8b03319

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