哈佛大學李鑫最新Nature：固態鋰金屬電池的動態穩定性設計策略
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2021-05-14 08:30:28
無鋰枝晶穿透的超高電流密度。多層設計將較不穩定的電解質夾在較穩定的固體電解質之間，通過在較不穩定的電解質層中局部分解，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定循環非常重要。然而，這種電池與大多數電解質，無論是液體還是固體，其穩定性都很差。眾所周知，Li10±xM1±yP2±pS12±q（M=Ge，Si）與金屬鋰不穩定。通常應用石墨或金屬銦等保護層來絕緣固體電解質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。盡管大多數硫化物固體電解質在與金屬鋰接觸時會發生一定程度的分解，但硫銀鍺礦型Li6-yPS5-yCl1+y與金屬鋰比LGPS更穩定。Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCl）可以運行150小時以上。然而，之后仍然會出現短路。今日，在哈佛大學李鑫教授（通訊作者）團隊帶領下，報告了一種界面穩定性（對鋰金屬響應）分層結構的固態電池設計，實現無鋰枝晶穿透的超高電流密度。多層設計將較不穩定的電解質夾在較穩定的固體電解質之間，通過在較不穩定的電解質層中局部分解，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正極配對的循環性能非常穩定，在20 C倍率下進行10000次循環后，容量保持率為82%（8.6 mA/cm2），在1.5C倍率下進行2000次循環后容量保持率為81.3%（0.64 mA/cm2）。同時，在微米級正極材料水平還能實現110.6 kW/kg的比功率和631.1 Wh/kg的比能量。相關成果以題為“A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries”發表在了Nature。
圖1 多層設計的對稱電池的循環性能
圖2 循環后固體電解質的結構、化學和形貌
圖3 多層設計的固態電池的循環性能
圖4 多層設計的固態電池的比功率和能量
文章轉載自微信公眾號：材料人
