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王鸣生教授课题组在固态锂电池失效机理研究方向取得重要进展
发布时间:2022年08月31日 来源:材料学院

近日,材料学院王鸣生教授课题组在固态锂金属电池内部枝晶生长及短路机理的研究中取得重要进展,相关研究成果以“Visualizing the failure of solid electrolyte under GPa-level interface stress induced by lithium eruption”为题,发表于《自然·通讯》(Nature Communications, 13, 5050)

采用固态电解质(SE)搭配锂金属负极的固态锂金属电池有望实现更高的能量密度和高安全性,因而受到了广泛关注。然而,锂枝晶渗透固态电解质导致的电池内部短路等问题仍然是制约固态电池发展的主要瓶颈。以往的研究表明,多晶电解质中的锂枝晶生长主要源于其内部(如晶界)的电子电导;而单晶电解质则通常归因于由表面缺陷造成的电流和应力集中。相关的理论模型预示:单晶电解质的表面缺陷小到一定临界尺度以下可以抑制枝晶生长。这与实际情况常常不符。另外,如果推至极限情况,即一个接近无缺陷的单晶电解质是否就可以抑制锂枝晶的生长?尽管这是人们普遍的心理预期,但并没有经过实验验证。此外,由于固态电解质被锂金属覆盖,对其界面演变过程进行高时间和空间分辨率的直接观察很困难,这严重阻碍了人们深入理解固态电解质的失效机理。

基于上述问题,王鸣生教授课题组利用原位透射电镜(in-situ TEM)构建了微型固态锂金属电池,深入表征了锂金属与固态电解质界面演化的动力学过程,揭示了锂枝晶从界面的局部接触点渗透固态电解质的机理。该研究采用有代表性的单晶石榴石固态电解质Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZO)作为研究模型,在TEM中原位构建了可进行截面方向观察的固态电池Li|SE界面。原位观察表明:锂金属在界面处的沉积行为与其电化学机械(Electrochemo-mechanical)应力息息相关,该应力的大小高度依赖于局部电流密度和机械约束。该研究工作揭示了: (1)即使是接近无缺陷的LLZO单晶颗粒也无法抵抗锂沉积压力,理论模拟显示该压力可能高达10GPa量级;(2)局部超高电流密度并不必然导致SE的破裂,通过提升Li|SE界面处锂离子/原子的输运效率,LLZO单晶可承受A·cm-2量级的局部电流密度。该工作所提出的快速释放界面处质量/应力的原则为固态锂金属电池倍率性能的改善提供了重要思路。

图1 由于受到Cu集流体和LLZO强的机械束缚,局部高速喷发的Li金属可以产生极大的应力迫使LLZO开裂和锂枝晶渗透及短路

该工作得到华中科技大学杨辉教授(共同通讯)及bwin必赢国际官网杨勇教授的支持和帮助。论文第一作者为材料学院2020级博士生高浩文。研究工作得到国家自然科学基金(52172240, 12172143, 21935009)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32732-z

(材料学院)

【责任编辑:林余颖】
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