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研究背景

 

       金屬鋰被認為是終極的負極，有望成為高能可充電電池的選擇之一。然而，由于在重復的鋰電鍍/剝離循環期間持續消耗鋰，鋰金屬電池中通常使用過量的金屬鋰，導致能量密度降低和成本增加。

 

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成果簡介

 

       近日，上海科技大學Wei Liu團隊以“All-Solid-State Batteries with a Limited Lithium Metal Anode at Room Temperature using a Garnet-Based Electrolyte”為題，在Advanced Materials上發表最新研究成果，報道了一種基于石榴石型氧化物固體電解質的全固態鋰金屬電池，具有超低的負極/正極（N/P）容量比。

 

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研究亮點

 

      （1）制備了石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)固態電解質；

      （2）在相同的N/P比下，固態鋰金屬電池的循環性能優于傳統的液態鋰金屬電池；

      （3）基于該固態鋰金屬電池系統，高電壓正極和高活性材料負載也被系統地研究，以實現長循環和高能量的可充電電池。

 

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圖文導讀

 

       1. 結構示意圖

 

       如圖1所示，報告了一個全固態鋰金屬電池的合理設計，它可以在室溫下長期循環穩定運行，并且鋰金屬的含量極低。制備的石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)片固態電解質(SSE)，其具有固態塑料晶體電解質(PCE)的LLZTO-正極界面層和金薄膜的負極-LLZTO界面層。通過蒸發可以在金表面沉積精確量的鋰金屬。

圖1 使用液體電解質和固體電解質的鋰金屬電池的比較。

 

       2. 電解質表征

 

       通過傳統的固態反應法合成LLZTO石榴石型電解質。LLZTO粉末和LLZTO顆粒的x光衍射圖分別如圖2a所示。兩者都符合立方石榴石相的標準模式，表明制備的LLZTO是純立方相，沒有任何雜質。圖2b顯示了LLZTO顆粒的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，顯示了致密的形態和生長良好的晶粒，具有清晰的晶界。測量LLZTO顆粒的鋰離子傳導性，在25℃時，離子電導率為4.0×104 S cm-1。阿倫尼烏斯圖如圖2c所示，活化能計算為0.40±0.1 eV。

 

       固體電解質和正極/負極之間的高界面阻抗，是制約固體電解質膜發展的關鍵因素。眾所周知，無機電解質-正極的界面是固體-固體界面，由于不完全的物理接觸，該界面通常具有高界面電阻。在這項工作中，為了降低LLZTO-正極界面電阻，在LLZTO表面(LLZTO-PCE)共形附著了一層丁二腈基塑性晶體電解質層。從圖2d中，可以清楚地看到，丁二腈在加熱到60℃時熔化，LiTFSI完全溶解。當冷卻到室溫(25℃)時，塑性晶體電解質變成了固態電解質。火焰實驗也證明了塑性晶體電解質的不燃性，而帶有液體電解質的隔膜容易點燃(圖2e)。圖2f所示的塑性晶體電解質、LLZTO和LLZTO-塑性晶體電解質的電化學阻抗譜數據表明，塑性晶體電解質膜的離子電導率為7.2×10−4 S cm−1。

 

       為了在循環過程中保持穩定的鋰金屬負極-LLZTO界面，在LLZTO表面濺射一層“親鋰”金薄膜。因此，設計的固態電解質由三層金薄膜、LLZTO顆粒和塑性晶體電解質層(Au–LLZTO–PCE)組成。

圖2 固態電解質表征。（a）XRD；（b）截面SEM圖；（c）LLZTO薄片的Arrhenius圖；（d）PCE在60℃(左)和25℃(右)時的照片；（e）火焰測試的光學圖像；（f）EIS譜。

 

       3. 電池電化學性能

 

       將有限的鋰金屬負極與LiFePO4(LFP)/LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(NCM正極(N/P≈1)搭配，以使用液體電解質和固態電解質構建全電池。界面電阻首先通過交流阻抗測量進行研究，如圖3a所示。結果表明，在有塑性晶體電解質界面層的情況下，LLZTO-正極界面在室溫下顯示出630 Ω cm2的相對低的電阻。

 

       使用有限鋰金屬負極(N/P≈1)的液態和全固態金屬鋰電池隨后在室溫下以0.1C循環。兩種電池的初始充放電曲線在圖3b中進行了比較。全固態電池的初始庫侖效率為96.80%，遠高于僅79.35%的液態電池。

 

       此外，從兩種電池在極低的1.1的N/P比下的循環性能(圖3c)可以明顯看出，在第32次和第16次循環后，全固態電池和液態電池的比容量分別開始下降。

圖3 低N/P比的液態鋰金屬電池和全固態鋰金屬電池的電化學性能。（a）LLZO, Li|LLZTO|Li和Li|SSE|LFP的EIS測試；（b）首次充放電曲線；（c）循環性能；（d）LLZO, Li|LLZTO|Li和Li|SSE|NCM的EIS圖；（e）首次充放電曲線；（f）循環性能。

 

       4. 負極鋰的量對性能的影響

 

       為了研究鋰金屬含量對全固態電池電化學性能的影響，采用有限鋰金屬和磷酸鐵鋰正極(N/P比為0，1.1，2.7，5.3，5.9和214.3)組裝了Au–LLZTO–PCE電池。室溫時，在0.1C的倍率下，不同N/P比電池的初始充放電曲線如圖4a所示，顯示了幾乎相同的161 mAh g-1的放電比容量。限制鋰金屬負極量不會降低比容量。如圖4b所示，在循環過程中，也記錄了固態電池的EIS數據。可以看出，正極界面和負極界面的總電阻在前30個循環時有所降低，這可能主要歸因于LLZTO與正極之間的塑性晶體電解質界面層的界面優化機制。

 

       圖4c顯示了各種充電倍率下的全固態電池的充放電曲線，在0.05C至0.5C時，其比容量分別為163、161、154、148、141和132 mAh g-1。此外，由于使用Au-LLZTO-PCE固體電解質的總電阻相對較低，因此固態電池也具有良好的倍率性能。

 

       如圖4d所示，可以看到使用無限鋰金屬箔(N/P比:214.3)的全固態電池可以在室溫下穩定循環，顯示出164 mAh g-1的高比容量，并且在300次循環后具有65%的良好容量保持率。對于具有有限鋰金屬的電池，所有循環曲線的比容量都急劇下降，這是由于有限鋰負極的耗盡。

 

       為了找出循環壽命和N/P比之間的關系，繪制了圖4e，并且還計算了每個固態電池的相應比能量。可以清楚地看到，循環壽命和比能量之間存在著一種權衡：隨著N/P比的增加，循環壽命同時增加，但比能量降低。

圖4 采用Au–LLZTO–PCE固體電解質和有限量的金屬鋰負極的全固態電池的電化學性能。（a）充放電曲線；（b）EIS圖；（c）倍率性能；（d）循環性能；（e）循環壽命、比能量和N/P比的關系。

 

       為了進一步提高鋰金屬負極受限的全固態電池的比能量，考慮了兩種方法：采用三元高壓正極和高質量負載的活性材料。如圖5a所示，采用267.9 N/P比的固態電池可達到167 mAh g-1。此外，采用碳布作為三維集流體，制備了高質量負載4.88 mg cm-2的厚磷酸鐵正極，可以獲得0.83 mAh cm-2的高面積容量，相當于室溫下0.05C時的171 mAh g-1的高比容量(圖5b)。根據最近文獻中關于室溫下工作的固態鋰電池的報告，如圖5c、5d所示，總結了具有不同電池參數的全固態電池的比能量。

圖5 采用Au–LLZTO–PCE固體電解質和有限量的金屬鋰負極的全固態電池的電化學性能。（a-b）充放電曲線；（c）面容量和面載量的關系；（d）預估的能量密度。

 

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總結與展望

 

       我們設計了一種Au–LLZTO–PCE固體電解質，用于全固態鋰金屬電池。在低氮磷比的實際條件下，通過比較液態電池和全固態電池，證明了全固態電池可以實現更長的循環壽命，這歸結于LLZTO和鋰金屬間的高化學穩定性。該研究工作為鋰金屬有限的固態電池合理設計固體電解質，來提高電池循環性能，為全固態鋰金屬電池提供了思路和示范。

 

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文獻鏈接

 

       All‐Solid‐State Batteries with a Limited Lithium Metal Anode at Room Temperature using a Garnet‐Based Electrolyte (Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202002325)

 

       原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002325