【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】12月7日，北京理工大學材料學院李麗教授、吳鋒院士課題組在高比能全固態(tài)鋰離子電池研究中取得重要進展，對高鎳正極設計了一種競爭摻雜策略，成功實現(xiàn)了異質原子(Ta)對高鎳正極的體相摻雜，以及壓電材料(LiNbO3)對高鎳正極進行表面修飾，同時提升了高鎳正極的內稟穩(wěn)定性以及其與硫化物固態(tài)電解質的界面兼容性，顯著提升了全固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性。相關成果發(fā)表以“Chemical Competing Diffusion for Practical All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society。北京理工大學材料學院2022級博士研究生代中盛為第一作者，博士后研究員孫璇為共同第一作者。
日益嚴重的能源危機和環(huán)境問題促進了人們對先進能源材料的探索和開發(fā)。鋰離子電池作為一種新型儲能裝置，已成功應用于電動汽車和智能電網(wǎng)。目前基于液態(tài)電解質的鋰離子電池已經(jīng)可以實現(xiàn)優(yōu)越的循環(huán)，并且部分固態(tài)電解質的鋰離子電導率也與液態(tài)電解質相當。然而，高比能高鎳正極匹配硫化物固態(tài)電解質時發(fā)生的一系列失效反應嚴重阻礙了全固態(tài)電池的循環(huán)壽命。首先，高鎳正極內稟的低穩(wěn)定性造成了其晶體結構的快速破壞；其次，高鎳正極析出的氧氣不僅造成其本身發(fā)生界面相變，也造成了其對固態(tài)電解質的化學氧化；另外，高鎳正極與電解質固-固界面的低兼容性形成的空間電荷層也嚴重阻礙了離子輸運。
鑒于此，北京理工大學材料學院李麗教授、吳鋒院士課題組提出了一種利用競爭摻雜的方式穩(wěn)定高鎳正極進而提升其與固態(tài)電解質表面兼容性的策略。具體來說，由于高鎳正極前驅體在拓撲鋰化過程中產生的過渡金屬空位有限，因此Ta和Nb原子在摻雜過程中表現(xiàn)出競爭特性。在本工作中，計算和實驗證實了Ta更容易摻雜進入高鎳正極，由于其與氧有更高的鍵能，防止了氧在高電壓下的過度氧化，顯著提升了高鎳正極的穩(wěn)定性。此外，Nb易于和表面殘鋰發(fā)生反應，生成具有壓電特性的鈮酸鋰，有效了增加了其與固態(tài)電解質的界面兼容性，提升了其電化學性能。
圖一 (A) 壓電材料(LiMO3, M="""Ta/Nb)極化機制；(B)""" 全固態(tài)模具電池的循環(huán)性能；(C) 全固態(tài)軟包電池的循環(huán)性能；(D、E ) 改性前后鋰濃度分析。
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