青島能源所硫化物全固態(tài)電池失效機(jī)制研究獲得進(jìn)展

近日，青島能源所崔光磊研究員帶領(lǐng)的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在硫化物基全固態(tài)電池失效機(jī)理研究和性能提升方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在Science Bulletin《科學(xué)通報(bào)》上。

由高理論容量的高鎳層狀正極材料和鋰金屬負(fù)極組成的硫化物基全固態(tài)鋰金屬電池有望解決目前商用鋰離子電池能量密度低、安全性差等瓶頸，是最具前景的下一代高比能電池技術(shù)之一。實(shí)驗(yàn)研究表明，全固態(tài)電池存在著循環(huán)壽命短、庫(kù)侖效率低、容量衰退快等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。由于缺乏合適的表征手段，全固態(tài)電池的衰退機(jī)制尚不清晰，因此需要準(zhǔn)確、可靠的先進(jìn)表征手段來(lái)剖析電極材料降解失效原理以闡明電池內(nèi)在的衰退機(jī)制。

為解決上述問(wèn)題，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心采用先進(jìn)高分辨無(wú)損三維同步輻射X射線斷層掃描成像技術(shù)（SXCT），對(duì)LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM）|Li6PS5Cl|Li固態(tài)電池衰退機(jī)制進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明因正極電化學(xué)-機(jī)械力學(xué)耦合失效誘導(dǎo)的反應(yīng)異質(zhì)性產(chǎn)生不均勻的鋰離子通量并傳輸?shù)截?fù)極，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的鋰沉積、溶解行為及死鋰的產(chǎn)生等。鋰負(fù)極不均勻的電化學(xué)反應(yīng)行為又反作用于正極并強(qiáng)化其反應(yīng)異質(zhì)性，形成一種正負(fù)極衰退互相促進(jìn)的正強(qiáng)化機(jī)制。隨著電池繼續(xù)循環(huán)，正負(fù)極不均勻反應(yīng)加劇造成結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)正負(fù)極體積縮脹引起電解質(zhì)的塑性變形，最終致使電池失效。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明采用LiZr2(PO4)3(LZP)對(duì)正極進(jìn)行改性，不僅有效抑制了正極的電化學(xué)-機(jī)械力學(xué)耦合失效，而且顯著提高了負(fù)極鋰沉積-溶解均勻性和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性。該項(xiàng)工作揭示了硫化物基全固態(tài)電池中由鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)演變引起的正負(fù)極之間正強(qiáng)化的衰退機(jī)制，首次提出了全固態(tài)金屬鋰電池正負(fù)極相互信賴、相互關(guān)聯(lián)的失效行為，為進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展全固態(tài)電池提供了新的思路和指導(dǎo)方向，為開(kāi)發(fā)下一代高能量密度與高安全性的高鎳三元硫化物基全固態(tài)電池奠定了研究基礎(chǔ)。

論文第一作者為博士研究生鄭越，通訊作者為崔光磊研究員、馬君副研究員、孫富研究員。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和山東能源研究院等項(xiàng)目的支持。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323001834

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