哈佛大学李鑫最新Nature：固态锂金属电池的动态稳定性设计策略
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2021-05-14 08:30:28
无锂枝晶穿透的超高电流密度。多层设计将较不稳定的电解质夹在较稳定的固体电解质之间，通过在较不稳定的电解质层中局部分解，阻止了任何锂枝晶的生长。
锂金属因其高容量和能量密度而被认为是锂离子电池负极的最佳候选材料，而单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）被认为是下一代正极材料。采用NMC81正极与锂金属负极配对的电池的稳定循环非常重要。然而，这种电池与大多数电解质，无论是液体还是固体，其稳定性都很差。众所周知，Li10±xM1±yP2±pS12±q（M=Ge，Si）与金属锂不稳定。通常应用石墨或金属铟等保护层来绝缘固体电解质和金属锂之间的接触。如果没有这种保护，使用纯金属锂作为电极和Li10Ge1P2S12（LGPS）作为电解质的对称电池会在有电压火花的情况下迅速失效。尽管大多数硫化物固体电解质在与金属锂接触时会发生一定程度的分解，但硫银锗矿型Li6-yPS5-yCl1+y与金属锂比LGPS更稳定。Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCl）可以运行150小时以上。然而，之后仍然会出现短路。今日，在哈佛大学李鑫教授（通讯作者）团队带领下，报告了一种界面稳定性（对锂金属响应）分层结构的固态电池设计，实现无锂枝晶穿透的超高电流密度。多层设计将较不稳定的电解质夹在较稳定的固体电解质之间，通过在较不稳定的电解质层中局部分解，阻止了任何锂枝晶的生长。团队提出了一种类似于膨胀螺丝效应的机制，即任何裂缝都被动态生成的分解物所填充，而这些分解也受到很好的约束，可能是由分解引起的“锚定”效应。锂金属负极与LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极配对的循环性能非常稳定，在20 C倍率下进行10000次循环后，容量保持率为82%（8.6 mA/cm2），在1.5C倍率下进行2000次循环后容量保持率为81.3%（0.64 mA/cm2）。同时，在微米级正极材料水平还能实现110.6 kW/kg的比功率和631.1 Wh/kg的比能量。相关成果以题为“A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries”发表在了Nature。
图1 多层设计的对称电池的循环性能
图2 循环后固体电解质的结构、化学和形貌
图3 多层设计的固态电池的循环性能
图4 多层设计的固态电池的比功率和能量
文章转载自微信公众号：材料人
