高電壓固態(tài)鋰電池研究獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在高電壓固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果分別發(fā)表在《自然-通訊》、《先進(jìn)能源材料》、《先進(jìn)功能材料》和《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》等期刊上。

采用高電壓氧化物正極材料和硫化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池具有高能量密度和高安全性的優(yōu)勢(shì)，可顯著提升電池續(xù)航能力，是新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向，對(duì)于發(fā)展新能源汽車、智能電網(wǎng)、深海電源等具有重要意義。然而，氧化物正極材料在高工作電壓時(shí)存在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較差的O^2-氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)O_2p空穴和O₂并引發(fā)結(jié)構(gòu)相變，導(dǎo)致電池在大電流時(shí)容量低且衰減迅速，倍率性能和循環(huán)壽命難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。而且，硫化物固態(tài)電解質(zhì)的室溫鋰離子電導(dǎo)率還有待繼續(xù)提高，以加速高負(fù)載、高倍率型高電壓固態(tài)鋰電池的發(fā)展。

為解決高電壓正極材料中氧缺陷化學(xué)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)相變問題，該團(tuán)隊(duì)在前期改進(jìn)材料制備技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了一種Li₂TiO₃表面修飾的過渡金屬離子從材料內(nèi)核到外殼呈全濃度梯度分布的富鋰錳基正極材料。其中，內(nèi)核0.5LiNi_0.33Co_0.33Mn_0.33O₂·0.5Li₂MnO₃高濃度Mn、低濃度Ni元素的分布起到提供高容量的作用，外殼0.5LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂·0.5Li₂MnO₃低濃度Mn、高濃度Ni的元素分布起到穩(wěn)定材料表面結(jié)構(gòu)的作用。與非濃度梯度設(shè)計(jì)的富鋰錳基正極材料相比，該材料在循環(huán)150圈后，其放電比容量、容量保持率分別由189.1 mAh g^-1、87.6% 提高到205.1 mAh g^-1、95.3% （25℃，0.5 C）。更重要的是，Li₂TiO₃表面修飾與全濃度梯度設(shè)計(jì)的復(fù)合策略使材料的熱分解溫度從289.6 ℃提高到332.2 ℃。因此，采用全濃度梯度設(shè)計(jì)策略制備的富鋰錳基正極材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。同時(shí)，該研究在揭示O^2-較差氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)的鋰離子異質(zhì)傳輸機(jī)制的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了過渡金屬離子/ O^2-離子空間異步活化的反應(yīng)機(jī)制，驗(yàn)證了富鋰錳基正極(1-x)LiMO₂·xLi₂MnO₃微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在提升O^2-氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的顯著作用。根據(jù)上述研究工作，研究人員撰寫綜述，對(duì)氧化物正極材料中氧缺陷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出了啟發(fā)性見解。

為提升固態(tài)鋰電池的倍率性能，該團(tuán)隊(duì)在納米離子學(xué)中晶界促進(jìn)載流子輸運(yùn)的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，研發(fā)了一系列三相滲流結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)并提出微區(qū)相分離結(jié)構(gòu)加速鋰離子傳輸?shù)男虏呗裕_發(fā)出一種自組織異質(zhì)納米晶化的固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)，獲得了室溫離子電導(dǎo)率高達(dá)13.2 mS cm^-1的硫化物電解質(zhì)Li₂S-P₂S₅。相較傳統(tǒng)硫化物玻璃陶瓷電解質(zhì)，其電導(dǎo)率提高了約100倍，保證了在高活性物質(zhì)負(fù)載量時(shí)高電壓固態(tài)電池的快速離子輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了室溫下固態(tài)電池能量密度400 Wh kg^-1的突破。在多年工作積累下，研究團(tuán)隊(duì)將分子鐵電材料應(yīng)用于固態(tài)鋰電池以提高其界面鋰傳輸能力。分子鐵電材料解決了界面副反應(yīng)和空間電荷層阻礙鋰傳輸?shù)钠款i問題，而且在2.6-4.6 V（vs. Li⁺/Li）的電壓范圍內(nèi)，0.1 C倍率下LiCoO₂基固態(tài)鋰電池的初始放電比容量達(dá)到210 mAh g^–1，比不含鐵電材料的電池容量顯著提升。在1 C倍率時(shí)，放電容量達(dá)到124 mAh g^–1，使該高電壓固態(tài)鋰電池表現(xiàn)出較好的快充能力。

上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國博士后基金、山東省自然科學(xué)基金，以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。