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《美国开发出抑制全固态锂电池枝晶生长，降低界面阻抗的新技术》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-11-12

  • 10月25日，美国马里兰大学在国际知名学术期刊《Nature》发表论文，展示了一种抑制全固态锂电池枝晶生长、降低界面阻抗的新技术，该技术方法有望为电动汽车全固态电池生产打开大门。

    锂离子电池因能量存储密度高而广受欢迎，但其含有易燃的液体电解质成分，过热时可能燃烧从而引发安全风险。全固态电池尝试绕过该缺点，但依然面临困难。以高能全固态锂（Li）金属电池为例，当电池以电动汽车所需的高容量和高充放电速率运行时，Li负极处的Li枝晶生长和正极处的高界面阻抗会导致短路和容量衰减等问题。

    美国马里兰大学科研团队一直以来专注于研究Li电池的失效机制，自2021年开始研究Li枝晶生长的形成理论，提出了重新设计界面层的想法。团队在Li负极和Li6PS5Cl固体电解质之间设计了Mg16Bi84界面层，以解决Li负极侧Li枝晶生长问题，并在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极表面设计了富氟层，以使LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极的结构稳定，降低界面阻抗。正负极界面层的设计使全固态电池在2.5 MPa的低堆压下实现优异的电化学性能，其中LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2/Li6PS5Cl/Li电池在2.55 mA cm-2电流密度下实现7.2 mAh cm-2的容量，LiNiO2/Li6PS5Cl/Li电池实现11.1 mAh cm-2的容量以及310 Wh kg-1的能量密度。

    Mg16Bi84负极界面层和富氟正极界面层为全固态Li金属电池在低堆压下实现高能量密度和快速充电能力提供了通用设计思路。

    据该校主页报道[1]，在产品进入市场之前，研究人员还有其他挑战需要解决。一方面，为了将全固态电池商业化，专家们将不得不缩小固体电解质层，以达到与锂离子电池电解质相似的厚度，提高能量密度。另一方面，基础材料的高成本是一个挑战。同时，为了在2026年之前向市场推出新电池，先进电池制造商Solid Power计划启动试验该项新技术，以评估其商业化潜力。





    [1]

    https://today.umd.edu/new-battery-technology-could-lead-to-safer-high-energy-electric-vehicles



  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06653-w
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  • 《超稳定界面+超高性能的全固态电池！》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-03-23
    • 全固态锂金属电池（ASSLMBs）由于其高的能量密度和极高的安全性而引起了人们的广泛关注。然而，Li金属/固态电解质（SSE）界面稳定性差是限制电流密度和容量的长期问题，阻碍了ASSLMBs的实际应用。 　　近日，加拿大西安大略大学孙学良教授提出了一种氟化硫银锗矿型Li6PS5Cl（LPSCl）硫化物固态电解质，以此提高锂金属负极的界面稳定性。由于具有自愈合性质的原位形成的致密和高度氟化的界面，能够实现鲜有报道的在超高电流密度下的循环稳定性。相关论文以题为“Ultra-Stable AnodeInterface Achieved by Fluorinating Electrolytes for All-Solid-State Li MetalBatteries”于2020年3月5日发表在ACS Energy Lett.上。 　　与传统的液态锂离子电池（LIBs）相比，全固态锂金属电池（ASSLMBs）能量密度高和安全性好，引起了越来越多的关注。在过去的几十年里，对于提高SSE的离子电导率已经进行了充分的研究，其中硫化物SSE具有很强的离子导电性，被认为是高性能ASSLMBs商业化最有前途的SSE候选材料之一。然而锂金属负极与SSE的界面问题一直困扰着其商业化进程，着重需要解决以下问题：（1） Li与硫化物之间的高反应性；（2） 在硫化物SSE中通过晶界或孔隙形成Li枝晶。 　　基于之间的研究，用各种化学物质预处理锂金属得到的含F和含I的表面，以此降低界面阻抗和抑制锂枝晶生长。然而，只能在相对较低的锂沉积/剥离电流密度和容量下循环，限制了它们在高倍率ASSLMBs中的应用。 　　 LiF是一种被广泛用作稳定SEI层的重要成分，同时与锂金属表面处理的策略相比，另一种基于改性SSE的策略对锂金属具有更好的保护作用。这是因为循环过程中电解质与锂金属原位形成SEI的自愈合特性，然而据我们所知，很少有报道使用含F的SSE来导出含高浓度LiF的功能性SEI层。本文提出了对硫化物SSEs进行氟化诱导形成含高LiF负极界面，具体来讲以硫银锗矿型LPSCl硫化物固态电解质作为主体材料，成功地使用不同含量的LiF取代LiCl，从而制备了含F的氟化LPSCl1-xFx硫化物SSEs（x=0.05、0.3、0.5、0.7、0.8和1）。 　　进一步使用优化后的“LPSCl0.3F0.7”SSE构成Li-Li对称电池，在很少报道的6.37 mA cm-2的高电流密度和5 mAh cm-2的容量下，电池能够循环超稳定循环250h，这与使用液态电解质的循环性能相当。Li金属与LPSCl0.3F0.7SSE之间原位形成的界面具有致密的形貌，同时具有较高的LiF浓度，对实现高性能起着至关重要的作用。此外，用LPSCl0.3F0.7 SSEs匹配Li金属组成的全电池同样拥有优异的循环性能和倍率性能。 　　总之，通过在循环过程中固态电解质与锂金属原位形成了富含高浓度LiF的功能性SEI层，并且证明了具有较高的致密性。氟化硫化物SSE能够诱导形成超稳定的Li金属界面，有望为开发高性能全固态锂金属电池迈出重要的一步。
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  • 《华为 | 公布固态电池专利》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2024-11-08
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