中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁課題組和中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授南策文團隊在鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的研究中取得新進展。研究者使用球差校正透射電鏡對固態(tài)電解質(zhì)和電極材料的界面進行觀測，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀結(jié)構(gòu)的正極和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)之間可以形成外延界面。利用這一現(xiàn)象，研究者制備了倍率性能可與傳統(tǒng)漿料涂覆正極相比的復(fù)合正極，為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。相關(guān)研究成果以AtomicallyIntimateContactbetweenSolidElectrolytesandElectrodesforLiBatteries為題發(fā)表在CellPress旗下的材料學(xué)期刊Matter上。論文第一作者是中國科大碩士研究生李富振。

傳統(tǒng)鋰離子電池由于使用易燃且電化學(xué)窗口有限的有機液態(tài)電解質(zhì)，普遍存在易燃、能量密度難以進一步提升等問題。相比于有機液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)大多不可燃，可以降低甚至消除電池起火的風(fēng)險，同時具有更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，允許使用更高電壓的正負極組合以提升電池的能量密度。近年的研究已發(fā)現(xiàn)了許多性能卓越的固態(tài)電解質(zhì)。然而，主流電極材料也是固態(tài)物質(zhì)。如果將液態(tài)電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)，那么電極和電解質(zhì)之間將難以形成像固-液界面那樣緊密充分的接觸，嚴重影響鋰離子在電極和電解質(zhì)間傳輸?shù)男?。這一瓶頸是固態(tài)電池最難克服的挑戰(zhàn)之一。

球差校正透射電鏡的觀測為解決這一問題提供了新思路。研究人員在使用電鏡研究鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)Li0.33La0.56TiO3時，發(fā)現(xiàn)富鋰層狀氧化物這一高性能電極材料的結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦這一被廣泛研究的固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)間形成外延生長的界面，從而在原子尺度形成緊密、充分的固-固接觸。研究者進一步對兩者間外延界面進行深入分析，發(fā)現(xiàn)界面處每15個原子面就會形成一個錯配位錯，釋放積累的應(yīng)變。這一機特種致了此外延界面的形成并不要求電極和電解質(zhì)具備相近的晶格尺寸，而是可以廣泛發(fā)生于多種層狀結(jié)構(gòu)材料與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料體系之間。隨后，研究人員將這一結(jié)論用于實際的材料制備中，以層狀電極材料0.54Li2TiO3-0.46LiTiO2晶體為模板將非晶Li0.33La0.56TiO3進行結(jié)晶制備出了原子級界面結(jié)合的電極-電解質(zhì)復(fù)合正極材料，并對其進行了性能表征。結(jié)果顯示此方法制備的固-固復(fù)合電極中活性物質(zhì)與電解質(zhì)之間結(jié)合充分程度接近固-液接觸，并且其倍率性能也不亞于傳統(tǒng)漿料涂覆技術(shù)制備的固-液復(fù)合物電極。該方法的提出為克服固態(tài)電池中電極-電解質(zhì)接觸差這一瓶頸提供了新思路。

上述研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科大創(chuàng)新團隊培育基金等的資助。