中國科學技術大學教授馬騁課題組和中國科學院院士、清華大學教授南策文團隊在鋰電池固態(tài)電解質的研究中取得新進展。研究者使用球差校正透射電鏡對固態(tài)電解質和電極材料的界面進行觀測，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀結構的正極和鈣鈦礦結構的固態(tài)電解質之間可以形成外延界面。利用這一現(xiàn)象，研究者制備了倍率性能可與傳統(tǒng)漿料涂覆正極相比的復合正極，為克服固態(tài)電池中電極-電解質接觸差這一瓶頸提供了新思路。相關研究成果以AtomicallyIntimateContactbetweenSolidElectrolytesandElectrodesforLiBatteries為題發(fā)表在CellPress旗下的材料學期刊Matter上。論文第一作者是中國科大碩士研究生李富振。

傳統(tǒng)鋰離子電池由于使用易燃且電化學窗口有限的有機液態(tài)電解質，普遍存在易燃、能量密度難以進一步提升等問題。相比于有機液態(tài)電解質，固態(tài)電解質大多不可燃，可以降低甚至消除電池起火的風險，同時具有更寬的電化學穩(wěn)定窗口，允許使用更高電壓的正負極組合以提升電池的能量密度。近年的研究已發(fā)現(xiàn)了許多性能卓越的固態(tài)電解質。然而，主流電極材料也是固態(tài)物質。如果將液態(tài)電解質替換為固態(tài)電解質，那么電極和電解質之間將難以形成像固-液界面那樣緊密充分的接觸，嚴重影響鋰離子在電極和電解質間傳輸?shù)男?。這一瓶頸是固態(tài)電池最難克服的挑戰(zhàn)之一。

球差校正透射電鏡的觀測為解決這一問題提供了新思路。研究人員在使用電鏡研究鈣鈦礦結構固態(tài)電解質Li0.33La0.56TiO3時，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀氧化物這一高性能電極材料的結構可以與鈣鈦礦這一被廣泛研究的固態(tài)電解質的結構間形成外延生長的界面，從而在原子尺度形成緊密、充分的固-固接觸。研究者進一步對兩者間外延界面進行深入分析，發(fā)現(xiàn)界面處每15個原子面就會形成一個錯配位錯，釋放積累的應變。這一機特種致了此外延界面的形成并不要求電極和電解質具備相近的晶格尺寸，而是可以廣泛發(fā)生于多種層狀結構材料與鈣鈦礦結構材料體系之間。隨后，研究人員將這一結論用于實際的材料制備中，以層狀電極材料0.54Li2TiO3-0.46LiTiO2晶體為模板將非晶Li0.33La0.56TiO3進行結晶制備出了原子級界面結合的電極-電解質復合正極材料，并對其進行了性能表征。結果顯示此方法制備的固-固復合電極中活性物質與電解質之間結合充分程度接近固-液接觸，并且其倍率性能也不亞于傳統(tǒng)漿料涂覆技術制備的固-液復合物電極。該方法的提出為克服固態(tài)電池中電極-電解質接觸差這一瓶頸提供了新思路。

上述研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科大創(chuàng)新團隊培育基金等的資助。