無鋰枝晶穿透的超高電流密度。多層設(shè)計將較不穩(wěn)定的電解質(zhì)夾在較穩(wěn)定的固體電解質(zhì)之間，通過在較不穩(wěn)定的電解質(zhì)層中局部分解，阻止了任何鋰枝晶的生長。
鋰金屬因其高容量和能量密度而被認為是鋰離子電池負極的最佳候選材料，而單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）被認為是下一代正極材料。采用NMC81正極與鋰金屬負極配對的電池的穩(wěn)定循環(huán)非常重要。然而，這種電池與大多數(shù)電解質(zhì)，無論是液體還是固體，其穩(wěn)定性都很差。眾所周知，Li10±xM1±yP2±pS12±q（M=Ge，Si）與金屬鋰不穩(wěn)定。通常應用石墨或金屬銦等保護層來絕緣固體電解質(zhì)和金屬鋰之間的接觸。如果沒有這種保護，使用純金屬鋰作為電極和Li10Ge1P2S12（LGPS）作為電解質(zhì)的對稱電池會在有電壓火花的情況下迅速失效。盡管大多數(shù)硫化物固體電解質(zhì)在與金屬鋰接觸時會發(fā)生一定程度的分解，但硫銀鍺礦型Li6-yPS5-yCl1+y與金屬鋰比LGPS更穩(wěn)定。Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCl）可以運行150小時以上。然而，之后仍然會出現(xiàn)短路。今日，在哈佛大學李鑫教授（通訊作者）團隊帶領(lǐng)下，報告了一種界面穩(wěn)定性（對鋰金屬響應）分層結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池設(shè)計，實現(xiàn)無鋰枝晶穿透的超高電流密度。多層設(shè)計將較不穩(wěn)定的電解質(zhì)夾在較穩(wěn)定的固體電解質(zhì)之間，通過在較不穩(wěn)定的電解質(zhì)層中局部分解，阻止了任何鋰枝晶的生長。團隊提出了一種類似于膨脹螺絲效應的機制，即任何裂縫都被動態(tài)生成的分解物所填充，而這些分解也受到很好的約束，可能是由分解引起的“錨定”效應。鋰金屬負極與LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正極配對的循環(huán)性能非常穩(wěn)定，在20 C倍率下進行10000次循環(huán)后，容量保持率為82%（8.6 mA/cm2），在1.5C倍率下進行2000次循環(huán)后容量保持率為81.3%（0.64 mA/cm2）。同時，在微米級正極材料水平還能實現(xiàn)110.6 kW/kg的比功率和631.1 Wh/kg的比能量。相關(guān)成果以題為“A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries”發(fā)表在了Nature。
圖1 多層設(shè)計的對稱電池的循環(huán)性能
圖2 循環(huán)后固體電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學和形貌
圖3 多層設(shè)計的固態(tài)電池的循環(huán)性能
圖4 多層設(shè)計的固態(tài)電池的比功率和能量
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