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(rèn)為是鋰離子電池負(fù)極的最佳候選材料，而單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）被認(rèn)為是下一代正極材料。采用NMC81正極與鋰金屬負(fù)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(yīng)用石墨或金屬銦等保護(hù)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(hù)，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(xué)李鑫教授（通訊作者）團(tuán)隊帶領(lǐng)下，報告了一種界面穩(wěn)定性（對鋰金屬響應(yīng)）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(tuán)隊提出了一種類似于膨脹螺絲效應(yīng)的機(jī)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(yīng)。鋰金屬負(fù)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(jìn)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(jìn)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(xué)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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