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【引言】

 

鋰離子電池是目前商業(yè)化應(yīng)用較為廣泛的新能源器件。但是鋰離子電池不能在高溫、高壓、含水等特殊場(chǎng)合使用，因?yàn)殇囯x子電池在這些場(chǎng)合下存在嚴(yán)重的安全問題。其中最主要的就是鋰離子電池的電解液是液態(tài)的，容易發(fā)生泄漏、分解和變質(zhì)等問題，導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸、泄漏和失效等問題。因此開發(fā)不含液態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池就變得尤為重要。其中，由于空間電荷層導(dǎo)致的界面問題是影響高功率密度固體電池性能的重要因素，包括正極與固態(tài)電解質(zhì)界面上的接觸不良、極化增加等。

 

【成果簡(jiǎn)介】

 

近日，中科院化學(xué)所的郭玉國(guó)研究員和萬(wàn)立駿院士（共同通訊）課題組，將優(yōu)質(zhì)的離子導(dǎo)體緩沖層Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃修飾到LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂上，減輕極化現(xiàn)象，提高動(dòng)力學(xué)特性。采用具有界面電勢(shì)分析功能的原子力顯微鏡，研究修飾后正極的優(yōu)異動(dòng)力學(xué)的形成機(jī)理，揭示界面緩沖層對(duì)電勢(shì)分布和極化的影響。研究發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的倍率性能，這有助于固態(tài)電池中界面問題的研究。相關(guān)成果以“Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries”為題發(fā)表在JACS上。

 

【圖文導(dǎo)讀】

 

圖 1 L-NCM的XRD和TEM結(jié)構(gòu)表征

（a）L-NCM的精修XRD圖；

（b）L-NCM的TEM圖像；

（c）L-NCM的HRTEM晶格條紋像；

（d）L-NCM的TEM圖及其EDS圖。

 

圖 2 P-NCM和L-NCM的動(dòng)力學(xué)性能表征圖

（a）P-NCM的變速CV曲線圖；

（b）L-NCM的變速CV曲線圖；

（c）充電過程中，兩個(gè)正極的GITT和準(zhǔn)平衡電位曲線；

（d）GITT曲線中，兩個(gè)正極的電壓極化和歐姆極化圖。

 

圖 3 P-NCM和L-NCM的AFM界面電勢(shì)表征

圖

（a）P-NCM的AFM界面電勢(shì)圖；

（b）L-NCM的AFM界面電勢(shì)圖；

（c）P-NCM的AFM界面電勢(shì)的三維圖；

（d）L-NCM的AFM界面電勢(shì)的三維圖；

（e）兩個(gè)正極的軸承分析和電勢(shì)分布示意圖；

（f）P-NCM的界面電勢(shì)高斯統(tǒng)計(jì)分布直方圖；

（g）L-NCM的界面電勢(shì)高斯統(tǒng)計(jì)分布直方圖；

 

圖 4 P-NCM和L-NCM的電池性能表征圖

（a）在1C下，兩個(gè)正極的首圈充放電曲線圖；

（b）在2C下，兩個(gè)正極的100圈循環(huán)曲線圖；

（c）兩個(gè)正極的第1圈、30圈和60圈的微分容量曲線圖

（d）兩個(gè)正極的第1圈、30圈和60圈的循環(huán)阻抗譜圖；

（e）兩個(gè)正極的倍率性能圖。

 

【小結(jié)】

 

本文將鋰離子導(dǎo)體緩沖層引入到正極表面上，在正極材料和固體電解質(zhì)之間構(gòu)建了良好的界面。在室溫固體電池中，LATP過渡層緩解極化并提高了動(dòng)力學(xué)特性。通過AFM界面電勢(shì)測(cè)量可知，LATP的引入削弱空間電荷層，使界面處電勢(shì)梯度降落，減輕了極化，抑制了副反應(yīng)，提高了循環(huán)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能。緩沖層的設(shè)計(jì)為增強(qiáng)固-固界面穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)特性提出了一種簡(jiǎn)便、有效的策略。