中國科學(xué)院物理研究所新進展：解決全固態(tài)金屬鋰電池固-固界面接觸難題

10月8日，中國科學(xué)院物理研究所發(fā)布消息稱，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（E01組）黃學(xué)杰研究員課題組全固態(tài)金屬鋰電池固-固界面接觸研究取得新進展。

全固態(tài)金屬鋰電池因高安全性和能量密度雙重優(yōu)勢潛力，被視為下一代儲能器件突破的重要方向，解決固-固界面動態(tài)接觸問題是推進工程化應(yīng)用的全球共性挑戰(zhàn)。全固態(tài)金屬鋰電池“制造”和“運行”分別要經(jīng)歷“高”和“低”兩種壓力，在高壓力下金屬鋰發(fā)生蠕變易引發(fā)電池短路，而低壓力下固-固界面又會接觸不良，金屬鋰負極本身的體積效應(yīng)嚴重，循環(huán)中界面劣化問題嚴重。

黃學(xué)杰研究員指導(dǎo)博士生張新新開發(fā)拓撲強化負極（TFA）實現(xiàn)寬壓力耐受低體積效應(yīng)金屬鋰負極。TFA由三維纖維狀Li₅B₄骨架（模量10-50GPa）和60%金屬鋰組成，Li5B4骨架形成快速鋰擴散路徑，將表面鋰“沉積/剝離”過程變成沿親鋰骨架的鋰擴散輸運行為。因此，TFA體積變化率僅為金屬鋰負極的40%，耐受壓力范圍拓寬至0-50MPa。TFA對稱電池臨界電流密度提升至5.8 mA cm^-2（約純金屬鋰的3.6倍）。

相關(guān)成果以“Topology Fortified Anodes Powered High-Energy All-Solid-State Lithium Batteries”為題發(fā)表于Advanced Materials。物理所博士生張新新和副主任工程師俞海龍共同第一作者，黃學(xué)杰研究員為通訊作者，華中科技大學(xué)張恒教授為共同通訊作者。

固體電解質(zhì)/負極間的固-固界面間隙會引發(fā)鋰枝晶生長，危害電池循環(huán)與安全。黃學(xué)杰研究員指導(dǎo)博士后岑官駿，改變壓力維系固-固接觸方案，提出“動態(tài)自適應(yīng)界面（DAI）”。在硫化物電解質(zhì)（Li_3.2PS₄I_0.2）中預(yù)置可遷移碘離子，在電場下原位形成微米級LiI層，界面層起始終動態(tài)維系界面緊密接觸并兼具離子傳輸能力。聯(lián)合TFA與DAI兩項技術(shù)，首次實現(xiàn)零外壓全固態(tài)金屬鋰軟包電池穩(wěn)定循環(huán)。

相關(guān)成果以“Adaptive interphase enabled pressure-free all-solid-state lithium metal batteries”為題發(fā)表于Nature Sustainability，并被選為Editor’s Suggestion（編輯推薦），物理所博士后岑官駿和副主任工程師俞海龍共同第一作者，肖睿娟研究員完成計算工作，黃學(xué)杰研究員為通訊作者。美國馬里蘭大學(xué)王春生教授對研究工作給予高度評價，指出“DAI是解決固-固界面接觸難題的實用化方案”。該工作是全固態(tài)金屬鋰電池邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步，也為設(shè)計下一代鈉、鉀等固態(tài)電池提供了變革性思路。

拓撲強化負極（TFA）聯(lián)合動態(tài)自適應(yīng)界面（DAI）實現(xiàn)全固態(tài)金屬鋰電池零壓力工作

針對本項研究成果是否徹底解決了固態(tài)電池固-固界面接觸難題、何時實現(xiàn)量產(chǎn)、是否增加成本、長期電化學(xué)穩(wěn)定性如何等問題，研究團隊一一回應(yīng)稱：

本項研究解決了全固態(tài)金屬鋰電池負極側(cè)界面的固-固接觸難題，對解決正極/電解質(zhì)固-固接觸問題同樣具有啟發(fā)作用。

本項研究成果已獲得中國發(fā)明專利授權(quán)，正在申請國際專利，從實驗室到量產(chǎn)的困難集中在工藝和裝備研發(fā)方面，預(yù)計還需要3至5年時間努力。

新技術(shù)采用引入碘離子的方法，不會增加全固態(tài)金屬鋰電池成本。此外，富碘與金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定性好，對全固態(tài)金屬鋰安全性提升有利。

研究團隊表示，本項研究開發(fā)的新技術(shù)優(yōu)勢非常明顯：不僅制造更簡單、用料更省，還能讓電池更耐用。他們特別強調(diào)，采用這項新技術(shù)未來可以做出能量密度超過500瓦時/千克的電池，如此一來，電子設(shè)備的續(xù)航時間有望提升至少兩倍以上。同時，這項突破將加速高能量密度全固態(tài)金屬鋰電池的發(fā)展，未來有望在人形機器人、電動航空、電動汽車等領(lǐng)域大顯身手，帶來更安全、更高效的能源解決方案。

信息來源：中國科學(xué)院物理研究所、中國新聞網(wǎng)

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