在哈工大青年科學(xué)家工作室的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院王家鈞教授團(tuán)隊(duì)在固態(tài)鋰電池研究領(lǐng)域連續(xù)取得重要進(jìn)展。繼全面解析電動汽車三元單晶材料性能衰減機(jī)制后(Nature Communications, 2020, 11, 3050)，固態(tài)電池的研究成果“洞察固態(tài)電池多晶正極中的界面效應(yīng)和局部鋰離子遷移”（Insights into interfacial effect and local lithium-ion transport inpolycrystalline cathodes of solid-state batteries）也發(fā)表在最近的Nature子刊上(Nature Communications，2020，11，5700）。哈爾濱工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位，青年教師婁帥鋒博士為本文第一作者，王家鈞教授為唯一通訊作者。

界面離子傳輸問題通常困擾著固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展，其微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與化學(xué)異質(zhì)性導(dǎo)致人們對固-固界面的電化學(xué)行為很難有深入的理解。電極顆粒與固態(tài)電解質(zhì)之間的非共形界面和不完整接觸，導(dǎo)致電池內(nèi)部的界面離子傳輸動力學(xué)緩慢。但是實(shí)際上，但由于化學(xué)勢的作用，固態(tài)電池顆粒內(nèi)部仍可能表現(xiàn)出均勻的鋰離子傳輸，以實(shí)現(xiàn)離子-電子平衡。由正極材料的單顆粒同步輻射成像發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池和液態(tài)電池表現(xiàn)出不同的離子擴(kuò)散行為。不同于液態(tài)電池中正極顆粒呈現(xiàn)由外逐漸向內(nèi)的“核殼”的擴(kuò)散行為，固態(tài)電池的內(nèi)部離子擴(kuò)散顯示出明顯的各向異性。

同時(shí)，該論文通過同步輻射成像技術(shù)證明固態(tài)電池的固-固離子遷移動力學(xué)不僅受到物理界面接觸的影響，而且還與多晶顆粒內(nèi)部的局域環(huán)境密切相關(guān)。一旦二次粒子的內(nèi)部局域環(huán)境在循環(huán)中被破壞，就會觸發(fā)電荷從均質(zhì)到異質(zhì)的分布，并導(dǎo)致固態(tài)電池的快速容量衰減。該工作強(qiáng)調(diào)了多晶顆粒內(nèi)部局域環(huán)境對于固態(tài)電池中電化學(xué)反應(yīng)的重要性，并為固固界面離子傳輸?shù)臐撛跈C(jī)理提供了見解。

圖1 固態(tài)電池的性能衰退及循環(huán)后的電極顆粒的結(jié)構(gòu)與荷電態(tài)變化

圖2 固態(tài)電池中循環(huán)后的顆粒內(nèi)部微裂紋的斷層成像分析

王家鈞教授團(tuán)隊(duì)近年來還先后在Cell姊妹刊Chem，Angew. Chem. 和Advanced Materials，Materials Today等學(xué)科頂級期刊發(fā)表論文，闡述了固態(tài)電池中的界面科學(xué)問題，反應(yīng)機(jī)制及改性策略，對于固態(tài)電池的設(shè)計(jì)和性能提升具有重要的指導(dǎo)意義。這項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金（U1932205），黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金（ZD2019B001）和青年基金(21905071)的資助。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星屑）

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