【会议报告】全固态锂电池界面设计与性能研究


来源:中国粉体网   文正

[导读]  中国粉体网将于12月20-21日在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会,届时,南京大学何平教授将作题为《全固态锂电池界面设计与性能研究》的报告。

中国粉体网讯  全固态锂电池采用固态、不挥发、不易燃电解质代替传统的有机液态电解质,在开发高能量、安全、宽温度范围的储能器件方面具有很大的优势。然而,在这类电池中电解质/电极材料的界面出现的化学/电化学不稳定性、接触阻抗大、机械应力失效、空间电荷层等问题限制了电池系统的实用化。


界面稳定性是影响固态锂电池电化学性能的重要因素之一,虽然最近几年固态电解质的锂离子电导率已经达到液态电解液的水平,但电池的容量仍然不高,循环和倍率性能远低于传统有机电解液电池,深入研究后发现决定电池容量和高倍率性能的关键因素除了固态电解质的离子电导率以及电解质的电化学窗口等电解质本身的原因之外,影响电池性能最主要的因素是电解质与正负极之间的界面问题。


与液态电池中的固-液界面不同,固态电池内部是固-固界面,包括负极-电解质界面、正极-电解质界面、电极内部颗粒间的界面等。固态电池中的界面既有物理接触,也有化学接触。物理接触主要涉及电解质和电极之间离子传输的点对点接触;化学接触主要涉及电解质和电极之间的副反应,降低界面稳定性,增加界面阻抗。对于界面的研究主要集中在负极和正极与电解质的接触上。


负极/电解质界面


锂金属在液态电解质中的高活性会带来严重的安全问题,用固态电解质代替液态电解质能够在很大程度上解决锂负极的安全问题。然而,锂金属/电解质之间的界面问题限制了采用锂负极的全固态电池发展。为了改善界面性能在固-固界面之间设计界面层是一种有效方法。一些具有弹性的物质,如聚合物、凝胶和离子液体,能够将固态电解质和锂金属电极之间的刚性接触改变为软接触,不仅可以降低锂金属/固态电解质的界面阻抗,有利于锂离子在相界面的快速转移。还有利于锂的均匀沉积,抑制锂枝晶的生长。有研究者提出一种新颖的方法,通过原位聚合的方法来设计固态电极和固态电解质之间的界面。研究人员通过原位热聚合在电极上形成复合固态电解质,这种方法将固态电极和电解质集成在一起,显著降低界面阻抗,为界面问题的解决提供了新思路。


正极/电解质界面


为了提升电池比能量,对正极材料的容量和电压需求较高。虽然固态电解质比液态电解质对高压正极材料具有更好的耐受性,但正极/固态电解质界面存在几个问题:界面处阻抗较大,界面元素扩散,由高压分解和空间电荷层引起的界面副反应等。多数研究工作着重于正极材料的表面修饰以解决上述问题。将正极与电解质混合是解决两者之间界面问题的有效方法,将复合固态电解质的成分(聚合物和钾盐)添加到正极活性物质中,或用复合电解质中的聚合物成分代替电极中的粘结剂。另外,集成的正极/固态电解质结构也能够降低界面阻抗。一种方法是通过加热、浇铸或原位聚合使固态电解质组分渗透到正极活性材料中,另一种方法是设计多孔固态电解质作为负载正极材料的主体。实现与固液接触相当的无缝原子级电极/电解质界面是新的研究方向。有研究者将富锂层状电极嵌入到LLTO晶格中,电解质和层状电极之间的周期性失配错位形成了电极材料与固态电解质之间的外延界面,从而形成原子级接触的固-固界面,为实现性能优异的界面提供了新的思路。


针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题,中国粉体网将于12月20-21日在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业,科研院校,以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台,开展产、学、研合作,共同推动行业发展。届时,南京大学何平教授将作题为《全固态锂电池界面设计与性能研究》的报告。报告将对近年来何平教授课题组针对固态电池普遍存在的科学问题所开展的固-固界面组成、结构设计和输运机制的研究成果进行介绍,包括无碳无粘结剂的锂合金固态负极,金属锂表面SEI层原位构筑,固-固界面的限域溶解化学机制,固-固界面空间电荷层对锂离子输运特性影响的观测以及固-固界面光热增强效应等。




专家简介:

何平,物理化学博士,南京大学现代工学院能源系教授博导、系主任。教育部“长江学者奖励计划”青年学者(2018),国家“优青”(2019),江苏省“杰青”、“优青”,江苏省“六大人才高峰”高层次人才。2003和2006年于南京航空航天大学材料学院获理学学士和工学硕士学位;2009年于复旦化学系获得物理化学(电化学)博士学位。同年赴日本国立产业技术综合研究所(AIST)能源技术部门任博士后。2011年11月回国工作,建立“南京大学储能材料与技术中心”。近年来在非质子系统空气电极多相电催化理论完善,金属锂/电解液(质)体系设计与优化,固体电解质界面载流子输运行为研究和关键能源材料提取回收等多个方面开展工作。以通讯作者身份在Nat Commun,Science Adv,Joule,Angew ChemInterEd,Energy EnvironSci,Adv Mater等刊物发表SCI论文80余篇。文章他引12000余次,H-index62。主持国家重点研发计划“新能源汽车”专项课题、国家自然科学基金(4项)和江苏省自然科学基金(3项)等项目。任中国固态离子学会理事,《Energy&Fuels》《电化学》和《e Science》等期刊编委和青年编委。


参考来源:

武佳雄等.车用固态锂电池研究进展及产业化应用

吴敬华等.固态锂电池十年(2011—2021)回顾与展望


(中国粉体网编辑整理/文正)

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