調控集流體界面實現(xiàn)快充鹵化物全固態(tài)電池

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1、復合負極的界面穩(wěn)定性對實現(xiàn)高性能無機全固態(tài)鋰離子電池至關重要。

2、隨著近年來界面工程策略的發(fā)展，無機全固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性有了很大的提高。

3、但其倍率性能仍不理想，嚴重阻礙了全固態(tài)電池在電動汽車領域的應用。

4、結果表明，集流體界面有限的鋰離子和電子傳輸能力是限制全固態(tài)電池倍率性能的重要因素。

5、因此，了解無機全固態(tài)電池集流體界面的衰減機理，設計有效的改性策略是實現(xiàn)優(yōu)異倍率性能的關鍵。

6、[工作介紹]

7、近日，加拿大西安大略大學孫學良院士王建濤教授和加拿大多倫多大學Chandra Veer Singh教授課題組，通過多種表征手段，系統(tǒng)研究了鹵化物(Li3InCl6)全固態(tài)電池中鋁箔集流體的界面衰減機理。

8、結果表明，在室溫下，鋁箔與Li3InCl6的副反應導致鋁箔腐蝕和Li3InCl6分解。

9、因此，固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能降低。

10、石墨烯改性鋁箔(GLC Al)可以有效避免鋁箔與Li3InCl6的直接接觸，從而避免集流體界面副反應的發(fā)生。

11、以LiCoO2為正極的固態(tài)電池在5C倍率下的放電容量為69 mahg-1。

12、低溫(-10)下的研究表明，除界面副反應外，集流體界面有限的鋰離子和電子傳輸是阻礙LiCoO2/Li3InCl6固態(tài)電池性能的重要因素。

13、GLC Al能有效促進鋰離子和電子在低溫下的傳輸，從而明顯改善固態(tài)電池的低溫電化學性能。

14、該工作從界面設計的角度為實現(xiàn)全天候條件下的全固態(tài)電池快速充電提供了新的思路。

15、文章發(fā)表在國際頂級期刊《高級功能材料》上。

16、加拿大西安大略大學的鄧思旭博士是本文的第一作者。

17、孫學良院士、王建濤教授和錢德拉維爾辛格教授是本文的合著者。

18、[內容表達]

19、電化學分析結果表明，即使沒有引入正極材料，Li3InCl6和鋁箔在電化學環(huán)境中仍有強烈的界面副反應。

20、GLC Al能有效抑制副反應。

21、密度泛函理論的結果表明，LIC(100)/GLC比LIC(100)/Al(111)具有更好的界面穩(wěn)定性。

22、然而，LIC(100)/GLC的金屬特性確保了電子在集電器界面的良好傳輸。

23、圖一。集流體界面的表征與模擬。

24、使用裸Al的LiCoO2/Li3InCl6固態(tài)電池在0.1C的速率下具有125.6 mAhg-1的放電容量

25、而使用GLC Al的LiCoO2/Li3InCl6固態(tài)電池可將其首次放電容量提高至132.8 mAhg-1，并具有較高的庫侖效率和放電電壓以及較小的不可逆容量。

26、同時，GLC Al固態(tài)電池在1C和5C高倍率下的放電容量分別為103 mAhg-1和69 mAhg-1。

27、1C倍率下的長循環(huán)性能測試結果表明，GLC Al固態(tài)電池經過150次循環(huán)后，循環(huán)穩(wěn)定性達到89.1%。

28、然而，裸鋁固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性僅為15.2%。

29、與其他鹵化物基固態(tài)電池相比，GLC Al固態(tài)電池也表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。

30、2.室溫下整個電池的電化學性能。

31、對循環(huán)后的鋁箔集流體和與集流體接觸的復合正極進行XPS測試。

32、Al 2p結果表明，循環(huán)后裸鋁表面明顯氧化并有分解產物生成。

33、相反，在GLC Al表面沒有檢測到Al信號，這證明GLC層在循環(huán)中保持了良好的結構完整性。

34、Cl 2p結果表明，循環(huán)后在裸鋁表面和裸鋁對應的復合正極表面均檢測到Li3InCl6的分解產物。

35、這一結果證明了循環(huán)過程導致裸鋁的腐蝕和Li3InCl6電解質的分解。

ToF-SIMS結果表明充放電循環(huán)后，在較大面積的bare Al表面都探測到了明顯的Cl-信號。

37、這一現(xiàn)象在循環(huán)后的GLC Al中得到明顯的抑制。

38、結合XPS和ToF-SIMS測試，bare Al在循環(huán)過程中與Li3InCl6電解質發(fā)生了劇烈的副反應，因此導致了bare Al的腐蝕與Li3InCl6的分解。

39、而采用GLC Al能夠有效的避免鋁箔與Li3InCl6電解質的直接接觸，因此抑制了集流體與復合正極界面上副反應的產生。

圖4. 循環(huán)后鋁箔集流體的ToF-SIMS表征。

循環(huán)后鋁箔的SEM結果能夠觀測到由于bare Al與Li3InCl6之間的嚴重副反應導致的鋁箔腐蝕以及Li3InCl6分解后副產物的沉積。

43、同時GLC Al對于副反應的抑制作用也得到了進一步的驗證。

圖5. 循環(huán)后鋁箔集流體的形貌演變。

在低溫條件下，集流體界面上的鋰離子與電子傳輸能力是制約固態(tài)電池電化學性能的關鍵因素。

47、在-10 ℃與0.05C倍率條件下，GLC Al固態(tài)電池表現(xiàn)出99.9 mAh g-1的初始放電容量和91.3%的庫倫效率。

48、相反，bare Al固態(tài)電池只具有76.5 mAh g-1的初始放電容量和81.0%的庫倫效率。

49、通過GITT測試可以觀察到bare Al固態(tài)電池在初始充電階段表現(xiàn)出明顯的空間電荷層效應，表明了在集流體界面上不均勻的電荷分布。

50、并且在整個充電過程中，bare Al固態(tài)電池都表現(xiàn)出相比于GLC Al固態(tài)電池更嚴重的極化效應。

51、在100次充放電循環(huán)后，GLC Al固態(tài)電池具有85.9%的容量保持率，遠高于bare Al固態(tài)電池47.1%的容量保持率。

52、XPS結果表明相比于室溫，bare Al與Li3InCl6電解質之間的副反應得到了明顯的抑制。

53、上述結果表明：相比于界面副反應，在集流體界面上有限的鋰離子與電池傳輸是制約固態(tài)電池低溫性能的重要因素，并可以通過GLC的修飾得到提升。

圖6. -10 °C條件下全電池的電化學性能與XPS表征。

【結論】

本工作系統(tǒng)的研究了鹵化物全固態(tài)電池的正極集流體界面在常溫與低溫條件下的衰減機制。

58、通過電化學測試、DFT計算、以及多種表征手段，結果表明：在常溫下，鋁箔集流體與Li3InCl6電解質之間的界面副反應是導致電池性能衰減的主要因素。

59、而在低溫下，鋁箔集流體界面上有限的鋰離子與電池傳輸是限制電池容量發(fā)揮的重要因素。

60、鋁箔集流體通過石墨烯層的改性不僅能夠有效的避免鋁箔的腐蝕和電解質的分解，還能夠促進鋰離子與電子在集流體界面上的傳輸。

61、因此在常溫與低溫下都獲得了提升的電化學性能。

62、研究表明集流體對于固態(tài)電池的性能具有不可忽略的影響，而通過對其進行界面改性是實現(xiàn)全氣候條件下高性能固態(tài)電池的有效手段。

審核編輯 ：李倩

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