全固態(tài)鋰電池關(guān)鍵固態(tài)電解質(zhì)材料與金屬鋰負(fù)極的熱穩(wěn)定性研究獲進(jìn)展
拓普思實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)
2020-05-04
隨著電動汽車與大規(guī)模儲能的發(fā)展，現(xiàn)有鋰離子電池體系已經(jīng)開始不能滿足日益增長的需求，亟須發(fā)展具有更高能量密度的電池體系。金屬鋰與液態(tài)電解質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)，且會隨著電池循環(huán)產(chǎn)生鋰枝晶，造成電池較低的循環(huán)壽命和較差的可靠性，這嚴(yán)重阻礙了金屬鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用。全固態(tài)電池將液態(tài)電解質(zhì)替換成了不可燃的具有一定剛性的固態(tài)電解質(zhì)，且一些固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出對金屬鋰良好的兼容性，因而全固態(tài)電池被認(rèn)為有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高可靠性。然而，目前針對全固態(tài)電池可靠性的研究工作相對較少，對全固態(tài)電池的可靠性的認(rèn)識也不夠深入。
中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組博士生陳汝頌在研究員禹習(xí)謙和李泓的指導(dǎo)下，利用絕熱加速量熱（ARC）技術(shù)研究了幾種主要氧化物固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)除石榴石型固態(tài)電解質(zhì)LLZO外，其他固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰接觸后在加熱升溫過程中均發(fā)生不同程度的熱失控。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與馬里蘭大學(xué)教授莫一非合作，結(jié)合理論計(jì)算揭示了固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰在高溫下發(fā)生熱失控的內(nèi)在機(jī)理。
研究團(tuán)隊(duì)選取了四種主流的氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料為研究對象，即具有鈉超離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（NASICON）的Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3?(LAGP)和Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3（LATP），鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Li3xLa2/3-xTiO3（LLTO），以及石榴石結(jié)構(gòu)的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZO）。采用絕熱加速量熱儀定量測定了它們與金屬鋰發(fā)生熱失控反應(yīng)的特征溫度、產(chǎn)熱速率和產(chǎn)熱量。結(jié)果表明， LAGP和LATP與金屬鋰在加熱過程中均發(fā)生了明顯熱失控并伴隨著大量放熱，LLTO出現(xiàn)了輕微放熱現(xiàn)象，而LLZO沒有明顯產(chǎn)熱。隨后研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合DFT熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以引起熱失控，熱失控的原因很有可能是固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰接觸時(shí)界面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料自身分解產(chǎn)生氧氣，氧氣進(jìn)一步與金屬鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致劇烈產(chǎn)熱。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行精確的XRD物相分析證實(shí)了這一猜想。以上研究表明了一些被廣泛認(rèn)為具有較高結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)材料，在與金屬鋰負(fù)極接觸后，高溫下依然可能發(fā)生熱失控反應(yīng)。這表明材料自身的熱穩(wěn)定性并不能代表其在電池內(nèi)整體的熱穩(wěn)定性，需要將固態(tài)電解質(zhì)與電池內(nèi)其他活性材料與非活性材料的反應(yīng)特性考慮在內(nèi)。
該工作說明了電池可靠因素的復(fù)雜性，并強(qiáng)調(diào)了全固態(tài)電池可靠性研究的必要性和迫切性。實(shí)際上除了可靠性外，由固態(tài)電解質(zhì)取代鋰離子電池液態(tài)電解液帶來的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等問題，使得目前全固態(tài)電池的電化學(xué)性能離實(shí)際應(yīng)用仍然存在較大差距。該研究團(tuán)隊(duì)最近在Chemical Reviews?期刊上以Approaching Practically Accessible Solid-State Batteries: Stability Issues Related to Solid Electrolytes and Interface?為題 （Chemical Reviews, 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00268）系統(tǒng)地總結(jié)并討論了全固態(tài)電池中存在的各種界面穩(wěn)定性問題。全固態(tài)電池最終能否走向大規(guī)模實(shí)用化，仍然有大量基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待研究。
相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0100100）、基金委優(yōu)秀青年基金（51822211）和國家自然科學(xué)基金(U1932220)的支持。
