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张兴课题组在固态锂电池界面研究中取得重要成果

合金负极是全固态锂电池重要的发展方向,而锂铟负极凭借其良好的机械性能和稳定的电势,是实验室中最常使用的合金负极之一,尤其在硫化物电解质的测试中。虽然锂铟负极表现出良好的循环性能,但是经过调研发现,大部分电池都是在低负载(<1mAh cm-2)和小电流(<0.5mA cm-2)下运行的,在高负载和大电流下锂铟负极是否依然稳定,目前尚无研究可以阐明,而这对固态电池的基础测试具有重要意义。

锂铟枝晶的STEM-HAADF图像和EELS分析。(a)锂铟枝晶的STEM-HAADF图像;(b)LPSCl-LiIn的中间界面层;(c)用于EDX测量的锂铟枝晶图像;(d)沿红色箭头方向P、S、Cl和In元素的线性分布;(e)LPSCl-LiIn界面In和S元素的EELS扫描;(f)锂铟枝晶、中间界面层和LPSCl电解质的EELS光谱。

清华大学dafabet黄金手机版张兴教授课题组在高负载(4mAh cm-2)和大电流(3.8mA cm-2)下对锂铟负极组装而成的硫化物全固态锂电池进行了测试,结果发现,电池在900圈左右发生短路失效。经过高分辨率透射电镜、拉曼光谱、光电子能谱的精确表征和第一性原理分析计算,结果表明,金属铟与硫化物电解质是热力学不稳定的,二者接触界面处会反应生成In2S3。当电池在高负载和大电流下循环时,负极界面同时也是动力学不稳定的。铟基体伴随而来的体积变化与界面反应共同作用,导致锂铟负极如液体般包裹住电解质颗粒向电解质内部生长。此外,研究表明,提高电解质或锂铟负极的电化学稳定性、降低固态电解质的孔隙率是抑制锂铟枝晶的有效手段。此研究对实验室中固态电池的测试和未来合金负极的发展具有重要的指导作用。

LPSCl-In界面的AIMD计算、Raman光谱和XPS分析。(a)模拟前和模拟后的LPSCl-In界面模型;(b)模拟过程中In-S、In-Cl和P-S键径向分布函数的演化;(c)新鲜铟箔和与LPSCl接触7天铟箔的SEM图像和Raman光谱;(d)与LPSCl接触7天铟箔的XPS深度分析。

研究发现,固态锂电池中被普遍认为稳定的锂铟合金负极在高负载、大电流循环中存在“锂铟枝晶”的生长现象,相关研究成果以“使用硫化物电解质的全固态锂基电池中锂铟枝晶的生长Growth of Lithium-Indium Dendrites in All-Solid-State Lithium-based Batteries with Sulfide Electrolytes)为题,于11月29日在线发表于《自然·通讯Nature Communications期刊上。

Li-In|LPSCl|LNO@NCM622电池的循环性能。(a)室温、3.8 mA cm-2下的长循环性能。(b)第890至第897个循环的恒流充放电曲线。(c)第897个循环的恒流充电曲线。

论文共同第一作者为清华大学dafabet黄金手机版2018级博士生罗舒婷、桂林电器科学研究院有限公司王振宇,清华大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为清华大学dafabet黄金手机版张兴教授和桂林电器科学研究院有限公司朱凌云教授。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27311-7