攻克瓶頸！我國學(xué)者制備新型正極材料 為固態(tài)電池提供新思路

8月29日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校馬騁教授課題組和清華大學(xué)南策文院士團(tuán)隊(duì)合作，制備了倍率性能可與傳統(tǒng)漿料涂覆正極相比的復(fù)合正極，為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際材料學(xué)期刊《物質(zhì)》上。

研究人員在使用電鏡研究鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀氧化物這一高性能電極材料的結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)間形成外延生長的界面，從而在原子尺度形成緊密、充分的固-固接觸。進(jìn)一步對兩者間外延界面進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)界面處每15個原子面就會形成一個錯配位錯，釋放積累的應(yīng)變。這一機(jī)制導(dǎo)致了此外延界面的形成并不要求電極和電解質(zhì)具備相近的晶格尺寸，而是可以廣泛發(fā)生于多種層狀結(jié)構(gòu)材料與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料體系之間。

科研人員將這一結(jié)論用于實(shí)際的材料制備中，制備出了原子級界面結(jié)合的電極-電解質(zhì)復(fù)合正極材料，并對其進(jìn)行了性能表征。結(jié)果顯示此方法制備的固-固復(fù)合電極中活性物質(zhì)與電解質(zhì)之間結(jié)合充分程度接近固-液接觸，并且其倍率性能也不亞于傳統(tǒng)漿料涂覆技術(shù)制備的固-液復(fù)合物電極。

該方法的提出為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。

相比于通常使用的冷壓方法，新方案可以在原子尺度實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)和電極的充分、緊密接觸。圖中原子分辨率的電子顯微鏡照片直接證實(shí)了這一緊密接觸。“這是個驚喜。”文章的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的碩士研究生李富振說道，“在材料中存在缺陷本來是一個很平常的現(xiàn)象，平常到了大部分時候會被人忽略的程度。但是，在對它們進(jìn)行了細(xì)致觀測以后，我們發(fā)現(xiàn)了意料之外的外延行為，正是這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了我們用于改進(jìn)固-固接觸的策略。”

利用觀察結(jié)果，研究者將成分和鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)相同的非晶粉末在富鋰層狀物顆粒的表面做成結(jié)晶，成功地在新復(fù)合物電極中實(shí)現(xiàn)兩種固態(tài)材料間充分、緊密的接觸。解決了電極-電解質(zhì)接觸問題，這種固-固復(fù)合物電極的倍率性能可以和和固-液復(fù)合物電極相媲美。更重要的是，研究者們還發(fā)現(xiàn)這種外延的固-固接觸可以容忍很大的晶格錯配，因此他們提出的策略可適用于多種鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)和層狀電極。

“這項(xiàng)工作指明了一個值得探索的新方向。”馬騁教授說，“將這種原理應(yīng)用到其他重要材料中也許能開發(fā)出更好的電池性能，引出更有意思的科學(xué)問題。我們對此相當(dāng)期待。”研究團(tuán)隊(duì)將沿著這個方向繼續(xù)探索，并將他們提出的策略應(yīng)用到其他高容量、高電位的正極中。合作團(tuán)隊(duì)包括清華大學(xué)的南策文院士團(tuán)隊(duì)和美國Ames Laboratory的Lin Zhou博士等。《Matter》是Cell出版集團(tuán)下新推出的旗艦學(xué)術(shù)期刊。