青島能源所硫化物全固態(tài)電池失效機(jī)制研究獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊帶領(lǐng)的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心，在硫化物基全固態(tài)電池失效機(jī)理研究和性能提升方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)通報》（Science Bulletin ）上。 

由高理論容量的高鎳層狀正極材料和鋰金屬負(fù)極組成的硫化物基全固態(tài)鋰金屬電池有望解決目前商用鋰離子電池能量密度低、安全性差等問題，是頗具前景的下一代高比能電池技術(shù)之一。實驗研究表明，全固態(tài)電池存在循環(huán)壽命短、庫侖效率低、容量衰退快等問題，影響了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。由于缺乏合適的表征手段，全固態(tài)電池的衰退機(jī)制尚不清晰，因而需要準(zhǔn)確、可靠的先進(jìn)表征手段來剖析電極材料降解失效原理以闡明電池內(nèi)在的衰退機(jī)制。 

科研人員采用先進(jìn)高分辨無損三維同步輻射X射線斷層掃描成像技術(shù)（SXCT），對LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM）|Li₆PS₅Cl|Li固態(tài)電池衰退機(jī)制開展研究。實驗結(jié)果表明，因正極電化學(xué)-機(jī)械力學(xué)耦合失效誘導(dǎo)的反應(yīng)異質(zhì)性產(chǎn)生不均勻的鋰離子通量并傳輸?shù)截?fù)極，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的鋰沉積、溶解行為及死鋰的產(chǎn)生等。鋰負(fù)極不均勻的電化學(xué)反應(yīng)行為又反作用于正極并強(qiáng)化其反應(yīng)異質(zhì)性，形成一種正負(fù)極衰退互相促進(jìn)的正強(qiáng)化機(jī)制。隨著電池繼續(xù)循環(huán)，正負(fù)極不均勻反應(yīng)加劇造成結(jié)構(gòu)破壞，同時正負(fù)極體積縮脹引起電解質(zhì)的塑性變形，最終致使電池失效。對比實驗表明，采用LiZr₂(PO₄)₃ (LZP)對正極進(jìn)行改性，有效抑制了正極的電化學(xué)-機(jī)械力學(xué)耦合失效，并顯著提高了負(fù)極鋰沉積-溶解均勻性和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性。該工作揭示了硫化物基全固態(tài)電池中由鋰離子傳輸動力學(xué)的動態(tài)演變引起的正負(fù)極之間正強(qiáng)化的衰退機(jī)制，首次提出了全固態(tài)金屬鋰電池正負(fù)極相互信賴、相互關(guān)聯(lián)的失效行為，為進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展全固態(tài)電池提供了新的思路和指導(dǎo)方向，并為開發(fā)下一代高能量密度與高安全性的高鎳三元硫化物基全固態(tài)電池奠定了研究基礎(chǔ)。 

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和山東能源研究院等的支持。