环境科学与工程学院陈育明/李小燕团队在全固态锂金属电池方面研究取得进展

发布时间:2020-12-24浏览次数:10

    随着对电动汽车和电网的储能需求日益增长,高能量密度、安全性好的全固态锂金属成为最具研究的热点课题。目前全固态锂金属电池方面已取得一些重要的进展,但仍然面临许多阻碍全固态锂金属电池发展的障碍。当前全固态锂金属面临主要有三大挑战:1)锂枝晶刺穿固体电解质导致短路,根据Nernst方程,锂金属沉积过程中会产生巨大的机械应力,这些应力将传递给固体电解质使其产生裂纹,并导致锂金属穿透固体电解质,最后造成电池短路;2)界面的电化学稳定性差,由于锂异常活泼,跟大部分具有高锂离子电导率的固体电解质会发生反应形成固体电解质界面膜(SEI)3)界面接触不良,在循环过程中锂金属和固体电解质的界面将移动几十微米的距离,巨大的界面移动导致界面接触变差。

图片来源于Nature Chem

    为解决上述问题,近期,环境科学与工程学院陈育明/李小燕课题组联合麻省理工学院、得克萨斯州奥斯汀分校、宾夕法尼亚州立大学、悉尼大学等研究者在Nature(综合排第一) Chem (环境化学排第一)上面发表了基于蠕变诱导三维全固态锂金属电池等系列工作,研究者报道了一种由电化学稳定的混合锂离子和电子导体(mixed Li-ion and electronic conductorMIEC)以及电子和锂离子绝缘体(electronic and Li-ion insulatorELI)组成的三维多孔锂金属宿主来实现的全固态锂金属电池,利用原位透射电子显微镜等手段对金属锂在MIEC管中的沉积-剥离行为进行了研究,发现这些碱金属能够以单晶的形式通过柯勃尔蠕变在MIEC管中进行沉积和剥离。与传统的固态电解质不同,MIEC由于对于金属锂的电化学稳定性好,这种柯勃尔蠕变机制能够显著释放电池内部应力、保持良好的电子和离子接触、可以在长达10μm的尺度下实现可逆的金属锂的沉积剥离长达100次,因此基于柯勃尔蠕变构建的三维全固态锂金属具有优异的循环稳定性。

论文链接:

[1]Yuming Chen, Ziqiang Wang, Xiaoyan Li, Xiahui Yao, Chao Wang, Yutao Li, Weijiang Xue, Daiwei Yu, So Yeon Kim, Fei Yang, Akihiro Kushima, Guoge Zhang, Haitao Huang, Nan Wu, Yiu-Wing Mai, John B. Goodenough and Ju Li*, Li metal deposition and stripping in a solid-state battery via Coble creep. Nature578 (2020) 251. https://doi.org/10.1038/s41586-020-1972-y

[2] Ziqiang Wang,Xiaoyan Li,* Yuming Chen,* Kai Pei, Yiu-Wing Mai, Sulin Zhang*

and Ju Li* , Creep-Enabled 3D Solid-State Lithium-Metal Battery. Chem 6 (2020) 2878.

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.09.005


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