物質學院劉巍課題組在全固態鋰金屬電池方向取得研究進展

ON2020-12-05文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

近日,我校物質學院劉巍課題組報道了一種基于石榴石氧化物固體電解質的具有低負/正電極容量比(negative/positive electrode capacity ratio: N/P比)的全固態鋰金屬電池(ASSLMB) 。在相同的低N/P比下,與使用液體電解液的液態鋰金屬電池(LSLMB)相比,ASSLMBs顯示出更長的循環壽命,這主要歸因于固體電解質對鋰金屬具有更高的穩定性,因此循環過程中可以保持更高的庫侖效率。此外,揭示了通過使用高電壓的正極材料或提高正極負載量,可以進一步提高低N/P比的ASSLMBs的能量密度。該成果于11月25日以題為 All-Solid-State Batteries with a Limited Lithium Metal Anode at Room Temperature using a Garnet-Based Electrolyte 發表在期刊Advanced Materials上。

隨著對電動汽車和智能電網等大型儲能系統需求的不斷增長,傳統的鋰離子電池已無法滿足高能量密度和循環穩定性的要求。金屬鋰(Li)具有超高的理論比容量(3860 mAh g-1)、最低的氧化還原電勢(-3.040 V相對于標準氫電極)和低的密度(0.534 g cm-3)。因此,鋰金屬負極是下一代高能鋰基電池,特別是Li–S和Li–air電池系統的最有希望的候選者。但是,在實驗室中通常使用厚度為數百微米的過量的鋰箔來配對正極(<3 mAh cm-2),這意味著大量的過量鋰金屬將不會被利用到,從而導致鋰金屬負極的實際比容量,能量密度和成本效益的大幅下降。

對于液態體系,高反應性的鋰金屬負極在循環過程中會不斷與液體電解液發生反應,固體電解質界面膜(SEI)不斷的生長和破裂會導致鋰金屬的快速消耗。為了保證液體電池的穩定循環,實驗室中通常使用厚/無限制的鋰金屬,這不能反映實際LMB的運行條件。對于固態體系,通過使用對Li金屬負極穩定的固體電解質,可以在LMB中實現有限量的金屬Li(厚度<30 μm)以用于實際應用。得益于固態電解質比液體電解液對鋰金屬更高的穩定性,在循環過程中更高的庫倫效率得以保持。因此,在相同低N/P比的苛刻條件下,全固態鋰金屬電池表現出更為優異的循環性能。

劉巍課題組2020級博士研究生陳邵杰為該論文的第一作者,劉巍教授為通訊作者,上科大為唯一完成單位。以上研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和上科大電鏡中心的大力支持。

圖  使用液體電解液和固體電解質的鋰金屬電池的比較

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