【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全固態(tài)鋰電池以其高安全性和高能量密度有望成為超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術(shù)。然而，電極材料(包括正極和負極)與固態(tài)電解質(zhì)的界面不穩(wěn)定性一直是困擾固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸所在。例如，正極/電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的層狀氧化物正極(主流正極材料)結(jié)構(gòu)退化是限制全固態(tài)鋰電池性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。特別是，在產(chǎn)業(yè)界不斷提高層狀氧化物正極中鎳含量的背景下(電池能量密度與其鎳含量成正比)，高鎳層狀氧化物正極材料的本征電化學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的電池性能衰減顯著加劇。在此背景下，深入認識正極/固態(tài)電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的電池材料失效機制對于全固態(tài)電池材料的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。
 

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部王春陽研究員與加州大學(xué)爾灣分校忻獲麟教授團隊基于前期液態(tài)鋰電正極材料失效機制的研究(Nature Materials,2023;Matter,2021,2023;Nano Letters,2021,2021,2022,2023)，在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得重要突破，利用人工智能輔助的透射電鏡技術(shù)揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結(jié)構(gòu)退化機制，并發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的退化機制有著顯著差別。研究成果以 “Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表于《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　研究表明，全固態(tài)電池中的晶格失氧和局部應(yīng)力耦合驅(qū)動的表面“晶格碎化”以及脫鋰誘發(fā)的剪切相變共同導(dǎo)致了層狀氧化物的結(jié)構(gòu)性能退化。表面“晶格碎化”涉及納米級多晶巖鹽相的形成，這一失效模式系首次在層狀氧化物正極材料中被發(fā)現(xiàn)。該研究還發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于傳統(tǒng)鋰離子電池中層狀正極的剪切界面新構(gòu)型和大尺寸O1相的形成。這一研究拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，有望為面向全固態(tài)電池的正極材料和正極/電解質(zhì)界面優(yōu)化設(shè)計提供重要理論指導(dǎo)。同時，該工作也凸顯了先進電子顯微學(xué)表征技術(shù)在解決能源領(lǐng)域核心科學(xué)問題中扮演的重要角色。
 

圖1. 全固態(tài)鋰電池層狀氧化物正極的原子尺度失效機制總結(jié)
 

圖2. 層狀氧化物正極中電化學(xué)脫鋰(充電)誘導(dǎo)的剪切相變
 

圖3. 層狀氧化物正極中剪切相界面結(jié)構(gòu)的精細原子構(gòu)型分析
 

圖4. 界面電化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的層狀氧化物表面“晶格碎化”