• <s id="vbsga"><mark id="vbsga"><listing id="vbsga"></listing></mark></s>
  • <tbody id="vbsga"></tbody>
    <rp id="vbsga"></rp>

  • <th id="vbsga"><pre id="vbsga"></pre></th>
    <span id="vbsga"><pre id="vbsga"><sup id="vbsga"></sup></pre></span><li id="vbsga"><tr id="vbsga"></tr></li>

    固態鋰電池,還能發Nature!
    納米人 2021-05-14

    圖片.png

    第一作者:Luhan Ye
    通訊作者:Xin Li 
    通訊單位:哈佛大學

    鋰枝晶穿透
    通常認為,具有高機械強度的固態電解質可以抑制鋰枝晶的穿透。然而,在實際應用中,制備用于電池的鋰金屬負極仍然具有挑戰性,因為在電池組裝或長時間循環期間,經常會在陶瓷顆粒中產生微米級或亞微米級的裂紋。一旦形成裂紋,鋰枝晶就不可避免地發生穿透。

    具有界面穩定性多次結構的固態電池
    哈佛大學Xin Li等人提出了一種具有界面穩定性多層結構(對鋰金屬響應)的固態電池設計,以實現超高電流密度且抑制鋰枝晶穿透。
    研究要點:
    1、多層結構設計將較不穩定的電解質夾在較穩定的固體電解質之間,通過在較不穩定的電解質層中良好的局部分解,阻止了任何鋰枝晶的生長。
    2、提出了一種類似于膨脹螺絲效應的機制,任何裂縫都能被動態生成的分解所填充,而這些分解也受到很好的約束,這可能是由于分解引起的“錨定”效應。
    3、鋰金屬負極與LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正極的循環性能非常穩定,20 C(8.6 mA/cm2)下,經過10,000次循環后以及1.5 C(0.64 mA/cm2)下經過2,000次循環后,容量保持率分別為82%和81.3%。
    4、該設計還可以在微米級正極材料級別實現110.6千瓦/千克的比功率和高達631.1瓦時/千克的比能量。

    圖片.png
    圖1. 多層結構設計的電池的循環性能

    金屬鋰由于其高容量和高能量密度而被認為是鋰離子電池負極的圣杯,而單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)則被視為下一代正極材料。NMC811正極與鋰金屬負極組裝電池的穩定循環對于電動汽車等移動設備是至關重要。

    但是,這種帶有大多數電解質的液體或固體電池的穩定性很差。已知Li10±xM1±yP2±pS12±q(M = Ge,Si)對于鋰金屬不穩定,通常通過施加石墨或銦金屬等保護層以使固體電解質與鋰金屬之間的接觸絕緣。如果沒有這種保護,使用純鋰金屬作為電極并使用Li10Ge1P2S12(LGPS)作為電解質的電池可能會因電壓火花而迅速失效。

    盡管大多數硫化物固體電解質與鋰金屬接觸都會經歷一定程度的分解,但Li6-yPS5-yCl1+y則比LGPS更穩定,如含有Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCl)的電池可以穩定運行150小時以上。電解質分解引起的過電勢上升和短路引起的電壓突然下降均會對電池的實際應用帶來致命傷害。除了與鋰金屬的穩定性差異外,這兩種電解質具有非常相似的物化性質,包括離子和電子電導率,粒徑和機械模量。

    圖片.png
    圖2循環后固體電解質的結構、化學性質和形貌。

    將鋰放到不對稱電池中的LGPS或LPSCl上時,觀察到LGPS的表面變黑,而LPSCl的表面沒有明顯的顏色變化。X射線光電子能譜(XPS)顯示LGPS出現嚴重分解,而LPSCl幾乎沒有分解峰,表明LPSCl對稱電池的短路是由鋰枝晶的穿透引起的。

    隨后,研究者進一步設計了一個關于鋰金屬負極的對稱電池,電池中的多層結構順序如下:石墨-LPSCl-LGPS-LPSCl-石墨,其中三個電解質層的總厚度相同。兩個LPSCl外層與石墨保護的鋰金屬直接接觸,以進一步保護界面電化學性能。添加到系統中的LGPS層極大地改善了對稱電池的循環性能,這表明這種帶有鋰金屬的電化學穩定性較差的固體電解質可以有效地阻止鋰枝晶的穿透。該設計在0.25 mA cm-2的條件下顯示出了1800 h的優異循環性能。除此之外,這種多層結構對稱電池可以在20 mA cm-2的極高電流密度下循環,55?°C時的過電勢僅為?0.5 V且沒有出現短路現象。這表明該結構具有良好的穩定性以防止鋰枝晶穿透。此處的LPSCl層有助于穩定與Li /石墨層的主要界面并降低總體過電勢,從而可以在高電流密度下進行持久的循環。

    LPSCl層在循環后出現了明顯的裂紋,而LGPS層在循環后也沒有出現裂紋。此外,與之前的LGPS相比,許多形態細節在循環后就像被“混凝土”層掩蓋了一樣,表明在循環過程中發生了一些局部分解。

    圖片.png
    圖3多層結構設計的固態電池的循環性能。

    研究發現,可以通過控制亞穩定性和動力學穩定性來限制Li枝晶的滲透,同時通過局部機械收縮和應變場來抑制Ge的還原。這種受到限制的分解物可以用作自我修復的“混凝土”,以填充和修復任何微米級或亞微米級的裂紋(無論是在電池組裝過程中預先存在的還是在電池循環過程中出現的),從而抑制鋰枝晶的穿透。這類似于膨脹螺桿效應,其中Li枝晶就是螺桿。因此,多層結構設計中的中央LGPS層可能會表現出這種膨脹螺絲效應,其中在Li枝晶與固體電解質之間的界面處的自限性分解可能起關鍵作用。

    緊接著,研究者將鋰金屬負極與微米級單晶顆粒NMC811正極組裝。與傳統電池相比,具有多層結構設計的固態電池具有顯著改善的電池性能。在較高溫度(55°C)和1.5C的低循環速率下,固態電池的初始容量為155.7 mAh g-1,在第1,000個循環時的容量保持率為92.8%,在第2,000個循環時為81.3%。此外,經過5C長循環測試后,在5C下經過1000次循環后,固態電池可以在0.1C下循環回到153.0 mAh g-1。這意味著在應用到電動汽車后,此類電池可在固定式儲能系統中重復使用。

    圖片.png
    圖4多層結構設計的通用性、比功率和能量。

    為了進一步證明多層結構設計的枝晶抑制能力,將電池在15C(6.4 mA cm-2)和20C速率(8.6 mA cm-2)的條件下循環10,000次。在15C下,電池在2500次循環后顯示90%的容量保持率,在5700次循環后顯示80%的容量,在9300次循環后顯示70%的容量。在20 C下,在5,000次循環后容量保持率高達90%,在10,000次循環后容量保持率高達82%。

    參考文獻
    Ye, L., Li, X. A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries. Nature 593, 218–222 (2021).
    DOI:10.1038/s41586-021-03486-3
    https://doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3



    加載更多
    424

    版權聲明:

    1) 本文僅代表原作者觀點,不代表本平臺立場,請批判性閱讀! 2) 本文內容若存在版權問題,請聯系我們及時處理。 3) 除特別說明,本文版權歸納米人工作室所有,翻版必究!
    納米人
    你好測試
    copryright 2016 納米人 閩ICP備16031428號-1

    關注公眾號

    在线看片免费人成视频播,欧美人妻aⅴ中文字幕,亚洲妇女自偷自偷图片,高清欧美av片,中文字幕在线观看