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好文再读:老材料新方法,降低界面电阻1000多倍

石榴石型固体电解质具有较高的离子导电性(~1 mS/cm)、良好的环境稳定性和宽电化学稳定窗口(6V vs. Li),早在数十年之前就被研究,近两年更是在固态锂离子电池的文章中被频繁报道。阻碍其研究进展的主要问题是其刚性陶瓷的性质,使得石榴石和电极材料间存在较高的固-固界面阻抗。日前,美国马里兰大学胡良兵教授(点击查看介绍)和Eric Wachsman教授率领的团队在Nature Materials杂志上发表文章,报道了他们在固态锂离子电池领域的最新研究成果,X-MOL也做了简单介绍(点击阅读相关),这次我们从更多角度再次阅读这篇好文。


研究团队利用原子层沉积法(atomic layer deposition,ALD)制备了超薄Al2O3,包覆在石榴石型Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12(LLCZN)固态电解质表面,可以有效地解决锂金属阳极和石榴石电解质之间的浸润问题和接触问题,界面电阻从1,710 Ω/cm2降低到了1 Ω/cm2,大大地降低了金属锂/石榴石界面阻抗。

石榴石型电解质LLCZN的光学照片、SEM图像及XRD衍射谱图。图片来源:Nature Mater.


我们重点来看一看石榴石和金属锂接触界面的情况。在未进行表面改性前,石榴石和金属锂的接触存在大量空隙,界面电阻过大难以避免。借助原子层沉积法将超薄氧化铝层包覆在石榴石电解质LLCZN表面,减少了接触的空隙,改善了石榴石和金属锂的浸润性。从交流阻抗测试中可以明显看出石榴石和金属锂的界面电阻大大降低了。

熔融金属锂在石榴石表面润湿行为的示意图、电镜照片及交流阻抗、循环性能对比测试。图片来源:Nature Mater.


第一性原理计算结果表明,超薄氧化铝涂层也是一个很好的锂离子导体,可以提供有效的锂离子运输,降低石榴石-金属锂之间的界面电阻。同时,改进后的石榴石型电解质LLCZN相比于传统的石榴石Li7La3Zr2O12(LLZO)具有更好的稳定性。

金属锂在LiAl5O8和Li2CO3界面处的理论模型。图片来源:Nature Mater.


固体锂电池具有高安全性,可以有效地防止锂电池使用中着火、爆炸等安全隐患,极有望成为一类下一代能量存储设备。通过原子层沉积包覆的方法不但可以解决Li-石榴石结构之间的界面电阻问题,还为全固态锂电池的发展找到了新思路,在高能量密度和安全性良好的全固态电池邻域中做出了巨大贡献。

电池示意图及实际工作照片。图片来源:Nature Mater.


胡良兵教授在接受采访时表示,“这是固态电池领域中一项革命性的进步,尤其是考虑到最近一系列的锂离子电池起火事件,从波音787到Hoverboard智能电动滑板以及三星手机电池爆炸。而我们的基于石榴石型电解质固态锂电池可以解决现有锂离子电池的三重威胁:安全性、电性能和成本问题。”

锂电池爆炸后的手机。图片来源:搜狐科技


部分内容编译自:

Researchers find ultra-thin solution to primary obstacle in solid-state battery development


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):


Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries

Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4821


导师介绍

胡良兵教授:

http://www.x-mol.com/university/faculty/35057


(本文由小希供稿)


X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714


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