近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領的固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心，在硫化物基全固態(tài)電池失效機理研究和性能提升方面取得重要進展。相關成果發(fā)表在《科學通報》（Science Bulletin ）上。
由高理論容量的高鎳層狀正極材料和鋰金屬負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、安全性差等問題，是頗具前景的下一代高比能電池技術之一。實驗研究表明，全固態(tài)電池存在循環(huán)壽命短、庫侖效率低、容量衰退快等問題，影響了其進一步的發(fā)展與應用。由于缺乏合適的表征手段，全固態(tài)電池的衰退機制尚不清晰，因而需要準確、可靠的先進表征手段來剖析電極材料降解失效原理以闡明電池內(nèi)在的衰退機制。
科研人員采用先進高分辨無損三維同步輻射X射線斷層掃描成像技術（SXCT），對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM）|Li6PS5Cl|Li固態(tài)電池衰退機制開展研究。實驗結(jié)果表明，因正極電化學-機械力學耦合失效誘導的反應異質(zhì)性產(chǎn)生不均勻的鋰離子通量并傳輸?shù)截摌O，進而產(chǎn)生不均勻的鋰沉積、溶解行為及死鋰的產(chǎn)生等。鋰負極不均勻的電化學反應行為又反作用于正極并強化其反應異質(zhì)性，形成一種正負極衰退互相促進的正強化機制。隨著電池繼續(xù)循環(huán)，正負極不均勻反應加劇造成結(jié)構(gòu)破壞，同時正負極體積縮脹引起電解質(zhì)的塑性變形，最終致使電池失效。對比實驗表明，采用LiZr2(PO4)3(LZP)對正極進行改性，有效抑制了正極的電化學-機械力學耦合失效，并顯著提高了負極鋰沉積-溶解均勻性和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性。該工作揭示了硫化物基全固態(tài)電池中由鋰離子傳輸動力學的動態(tài)演變引起的正負極之間正強化的衰退機制，首次提出了全固態(tài)金屬鋰電池正負極相互信賴、相互關聯(lián)的失效行為，為進一步優(yōu)化和發(fā)展全固態(tài)電池提供了新的思路和指導方向，并為開發(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。
研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中科院青年創(chuàng)新促進會和山東能源研究院等的支持。
青島能源所硫化物全固態(tài)電池失效機制研究獲進展
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