11月5日訊，據(jù)清華大學(xué)官方微信消息，電動車充電慢、冬天“趴窩”、安全隱患大等問題如何解決？傳說中的下一代固態(tài)電池何時才能商用？同時實(shí)現(xiàn)“快充”和“長壽命”是固態(tài)電池實(shí)用化面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授、賀艷兵教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天津大學(xué)楊全紅教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，為固態(tài)鋰金屬電池構(gòu)建出外柔內(nèi)剛的梯度結(jié)構(gòu)。如同為鋰金屬負(fù)極表面穿上“塑性鎧甲”，為長期困擾行業(yè)的固態(tài)電池界面失效問題提供了全新解決策略。
團(tuán)隊(duì)合影
北京時間10月30日零時，研究成果以“用于固態(tài)電池的塑性固態(tài)電解質(zhì)界面”（A ductile solid electrolyte interphase for solid-statebatteries）為題在線發(fā)表于《自然》（Nature）。
《自然》文章截圖
固態(tài)電池的“鎧甲”, 為何如此脆弱?
固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和高安全性被譽(yù)為下一代動力電池的發(fā)展方向，在電動汽車和大規(guī)模儲能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，固態(tài)電池的商業(yè)化長期受困于固態(tài)電解質(zhì)的低離子電導(dǎo)率和固態(tài)電解質(zhì)/電極差的固-固界面穩(wěn)定性等難題。導(dǎo)致在大電流密度、低溫等嚴(yán)苛工況下容易發(fā)生界面失效等問題。
鋰金屬負(fù)極表面?zhèn)鹘y(tǒng)富無機(jī)組分固態(tài)電解質(zhì)界面（下稱“SEI”）相當(dāng)于電池的一層保護(hù)膜，雖然堅(jiān)硬，但脆弱，一旦破裂，不僅會拖慢充電速度，更會導(dǎo)致短路等問題。使得固態(tài)電池難以實(shí)現(xiàn)低溫和大電流密度下的長壽命穩(wěn)定循環(huán)，在快充和低溫環(huán)境下壽命急劇縮短。
“塑性鎧甲”的研發(fā)
讓固態(tài)電池壽命危機(jī)迎來破局點(diǎn)
“讓老百姓用上更安全、更高效的電池”是團(tuán)隊(duì)的研究初心。康飛宇帶領(lǐng)的能源材料團(tuán)隊(duì)一直關(guān)注電池安全的課題。
近年主要針對本征安全電池開展研究，而作為深耕電池領(lǐng)域20余年的科研工作者，賀艷兵長期致力于固態(tài)電池領(lǐng)域研究。
針對上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“塑性富無機(jī)SEI”的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出兼具優(yōu)異機(jī)械性能，鋰離子傳輸性能和梯度親鋰/疏鋰特性的新型塑性SEI，大幅度提升了固態(tài)電池在大電流密度下和低溫下的循環(huán)穩(wěn)定性。
塑性SEI的組分篩選及其在固態(tài)電池循環(huán)過程中的作用示意圖
團(tuán)隊(duì)從SEI結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行源頭創(chuàng)新，將“塑性”特征作為新型SEI組分篩選的核心指標(biāo)，并進(jìn)行了人工智能加速的理論篩選，發(fā)現(xiàn)硫化銀、氟化銀等材料不僅具備良好的塑性變形能力，還能顯著降低鋰離子的擴(kuò)散能壘。
塑性富無機(jī)SEI的結(jié)構(gòu)和組分解析
在塑性SEI目標(biāo)組分篩選的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種含AgNO3添加劑和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。該體系可在固態(tài)電池運(yùn)行中，將脆性Li2S/LiF組分轉(zhuǎn)化為塑性Ag2S/AgF組分構(gòu)建出具有外柔內(nèi)剛梯度結(jié)構(gòu)的SEI。這種SEI多層級結(jié)構(gòu)協(xié)同的設(shè)計(jì)理念猶如為鋰金屬負(fù)極量身定制了一套“塑性鎧甲”，既保證了在低溫和大電流密度條件運(yùn)行過程中界面層的結(jié)構(gòu)完整性，又實(shí)現(xiàn)了高效的離子傳輸，并抑制了副反應(yīng)。
同時研究還顯著提升了復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的體介電性能，構(gòu)筑了高效的鋰離子傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了鋰離子的快速、均勻沉積反應(yīng)。
塑性富無機(jī)SEI的優(yōu)異塑性變形能力和機(jī)械穩(wěn)定性
“塑性SEI”使固態(tài)電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，即使在-30℃的低溫環(huán)境中，對稱電池仍能在5 mA cm–2的電流密度和5 mA h cm–2面積容量下穩(wěn)定循環(huán)7000小時以上。該工作開創(chuàng)性地將“塑性”作為特征指標(biāo)為解決固態(tài)電池的界面失效問題提供了全新策略。為新型界面層設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)，對實(shí)用化固態(tài)電池研發(fā)具有實(shí)用價值，為“快充”與“壽命”難以得兼的問題找到了新的突破口。
研究團(tuán)隊(duì)工作照
