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EES：吉林大學(xué)杜菲團(tuán)隊(duì)在全固態(tài)鋰離子電池研究方面取得重要進(jìn)展
來(lái)源：吉林大學(xué)物理學(xué)院 2023-08-28
導(dǎo)讀：近日，吉林大學(xué)物理學(xué)院新型電池物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜菲教授團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院新能源開(kāi)發(fā)院電池開(kāi)發(fā)部共同合作，在全固態(tài)鋰離子電池研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在儲(chǔ)能領(lǐng)域國(guó)際著名期刊《Energy & Environmental Science》上。
近年來(lái)，為了滿足電動(dòng)汽車對(duì)高安全性、高能量密度電池和大規(guī)模儲(chǔ)能日益增長(zhǎng)的需求，基于固體電解質(zhì)和金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池普遍被認(rèn)為是下一代二次電池新技術(shù)。然而，在全固態(tài)電池中正極活性材料和固態(tài)電解質(zhì)顆粒間較差的電化學(xué)相容性以及固-固“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的物理接觸模式嚴(yán)重限制了全固態(tài)電池界面處離子、電子的傳輸能力，制約了全固態(tài)電池的發(fā)展。因此，對(duì)全固態(tài)電池電極結(jié)構(gòu)與固-固復(fù)合方式的設(shè)計(jì)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本工作中，杜菲教授研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)固態(tài)電池正極/電解質(zhì)復(fù)合電極、實(shí)現(xiàn)合理平衡復(fù)合電極中界面處的離子、電子傳輸能力層面做了深入研究。研究人員首次從復(fù)合電極的化學(xué)-機(jī)械穩(wěn)定性的角度提出了復(fù)合電極的設(shè)計(jì)方案，揭示了復(fù)合電極固-固界面演變規(guī)律的本質(zhì)，闡明了保障界面處的離子、電池傳輸能力是全固態(tài)電池獲得優(yōu)異性能以及在寬溫度范圍內(nèi)工作的必要條件。研究人員采用機(jī)械工程的方法合成了復(fù)合電極，在復(fù)合電極中商用三元正極材料（NCM）和鹵化物固態(tài)電解質(zhì)（Li3InCl6）之間形成均勻且超共形的互穿網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了離子、電子的快速傳輸。且復(fù)合電極表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，具有高楊氏模量和維氏硬度，可承受全固態(tài)電池電極在充放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)-機(jī)械變形，從而保證復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性。這種方法顯著提高了全固態(tài)電池的能量密度與循環(huán)壽命，0.1C電流密度下，比容量達(dá)到 216.4 mA h g-1，首次庫(kù)侖效率高達(dá)91.6%，可與NCM在有機(jī)液態(tài)電池中的性能相媲美。此外，所提出的全固態(tài)電池還具有理想的低溫性能，在 0℃ 和 -20℃ 時(shí)的容量分別為 172.5 mA h g-1和 118.4 mA h g-1，是目前全固態(tài)電池在低溫領(lǐng)域報(bào)道中的最高值。這項(xiàng)研究為全固態(tài)電池的電極設(shè)計(jì)，以及在寬溫度范圍內(nèi)應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能提供了一種前景廣闊的策略。文章第一作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院2021級(jí)博士研究生張子晨，通訊作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院杜菲教授、姚詩(shī)余副教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、吉林省科技廳和吉林省科技攻關(guān)“揭榜掛帥”項(xiàng)目的大力支持。
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