物质学院刘巍课题组在固态锂金属电池方向取得系列进展

近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘巍课题组在固态锂金属电池方向取得系列进展，相关工作分别发表于国际期刊Advanced Materials、Cell Reports Physical Science和Materials Today Energy。

作为下一代储能体系，全固态锂金属电池有望提供较传统锂电池更好的安全性和更高的能量密度。这其中，氧化物陶瓷电解质具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口和较高的化学稳定性，是一种极有前景的固体电解质体系。然而常规烧结氧化物陶瓷电解质往往需要高温(>1100 °C)和较长时间（>10小时），往往导致杂质产生和无法实现固体电解质和电极间稳定和充分的界面接触。

刘巍课题组开发了一种可用于多种陶瓷电解质的微波辅助超快速烧结技术。该技术通过超快烧结过程有效抑制了锂元素的挥发，并能实现电极-电解质一体化结构的超快速共烧结。所制备的全固态锂金属电池由于致密的电极-电解质界面和受抑制的元素互扩散，获得了良好的电化学性能。相对于传统的烧结技术，该技术为陶瓷电解质和全固态电池的制备提供了一个省时节能的新途径。该成果以“Ultrafast sintering for ceramic-based all-solid-state lithium-metal batteries”为题发表在Advanced Materials上，上海科技大学2020级博士研究生陈邵杰、2019级博士研究生聂璐为该论文的共同第一作者，刘巍教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。

图1 微波辅助超快速烧结技术示意图

在固态锂电池中，如何提高正极和固态电解质之间的界面接触也是一个急需解决的问题。尤其在正极活性负载较高的情况下，正极材料和固态电解质之间的界面接触往往是不充分的。在另一项研究中，刘巍课题组使用冰模板的方法制备出具有垂直通道的正极材料，在垂直通道中灌入聚合物电解质前驱体浆料，使用原位光聚合的方法进行固化制备电解质，使电极和电解质之间形成良好界面接触，电解质的厚度约为10微米。所制备的固态电池在室温和3mg cm^-2的电极活性负载下具有突出的比容量和循环稳定性。同时，垂直电极结构有利于加快锂离子的扩散。该成果以“Integration of a low-tortuous electrode and an in-situ-polymerized electrolyte for all-solid-state lithium-metal batteries”为题发表在Cell Reports Physical Science上，上海科技大学2019级博士研究生聂璐和2020级博士研究生陈邵杰为该论文的共同第一作者，刘巍教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。

图2 不同类型的电极和固体电解质的结合示意图

复合固体电解质一般由聚合物、无机陶瓷和锂盐组成，它结合了聚合物电解质和无机陶瓷电解质的优点，有更优异的综合性能。目前被广泛关注的聚合物基复合固体电解质易被点燃且可被锂枝晶穿透，存在潜在安全问题。受制备方法的限制，关于高陶瓷含量的复合固体电解质的系统性报道较少，相应离子传导机制的研究也较为缺乏。在另一项工作中，刘巍课题组证明了陶瓷基的复合固体电解质表现出比聚合物基的复合固体电解质更好的热稳定性和机械性能。研究人员首先制备了陶瓷质量分数为90%-98%的复合固体电解质，研究其离子电导率变化规律，系统解析了复合固体电解质中的锂离子传导机制，并证明陶瓷质量分数为90%的复合固体电解质的离子传导机制更接近于陶瓷电解质，而不是聚合物电解质。此外，研究人员还模拟了高陶瓷含量复合固体电解质中的锂离子传输路径，并计算出平行和垂直的陶瓷/聚合物界面的离子电导率。该工作有助于全面了解陶瓷基复合固体电解质的性能，可为复合电解质在固态锂电池中的性能优化提供策略。该成果以“High-safety composite solid electrolyte based on inorganic matrix for solid-state lithium-metal batteries”为题发表在期刊Materials Today Energy上，上海科技大学2020级硕士研究生胡琪琳为该论文的第一作者，刘巍教授为通讯作者，上科大为唯一完成单位。

图3 锂离子在不同固体电解质体系中的传导路径

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202200430

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100851

http://dx.doi.org/https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101052