香港科技大学赵天寿院士JMCA：具有不对称陶瓷骨架的复合固体电解质实现无枝晶全固态锂金属电池- 大数跨境

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香港科技大学赵天寿院士JMCA：具有不对称陶瓷骨架的复合固体电解质实现无枝晶全固态锂金属电池

科学材料站

2021-04-02

导读：该工作开发了一种具有不对称双层Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3陶瓷框架的新型复合固态电解质（Dual-layer CSE）。

文章信息

具有不对称陶瓷骨架的复合固体电解质实现无枝晶全固态锂金属电池

第一作者：林彦可

通讯作者：巫茂春*，赵天寿*

单位：香港科技大学

研究背景

全固态电池因其具有高能量密度、高安全性等独特优点，被认为是最有前景的下一代电池技术之一。复合固体电解质（CSE）由于兼具了陶瓷的高电导率和聚合物电解质柔韧、易于加工的理想特性，是实现高性能全固态电池的理想材料。

然而，通过简单机械混合陶瓷颗粒和聚合物形成的传统复合固体电解质不仅离子电导低，而且在界面处会引起不均匀的离子分布，从而导致较大内部电阻和严重的锂枝晶生长问题。

文章简介

基于此，来自香港科技大学的赵天寿教授团队在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“A composite solid electrolyte with an asymmetric ceramic framework for dendrite-free all-solid-state Li metal batteries”的文章。

为了同时解决复合固态电解质电导率较低和界面枝晶的问题，该工作开发了一种具有不对称双层Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3陶瓷框架的新型复合固态电解质（Dual-layer CSE）。

其中，具有垂直排列孔的多孔陶瓷层为锂离子传导提供快速传导通道，同时致密陶瓷层均匀化锂离子在界面处的分布，从而引导锂金属的均匀沉积，缓解枝晶的生长。

这项工作不仅提出了新型的非对称电解质结构，还为设计兼具高电导率和枝晶抑制能力的复合固态电解质提供了理论指导，从而为无枝晶，长寿命全固态锂金属电池的开发提供了新的思路。

图1. 采用双层复合固态电解质的全固态锂金属电池的示意图。

本文要点

要点一：通过反向液相法制备双层陶瓷骨架结构，并通过浇筑聚合物电解质得到具有不对称结构的双层复合固态电解质

图2. 双层复合固态电解质的制备过程示意图

图3. 陶瓷骨架及双层复合固态电解质的形貌表征。双层陶瓷骨架的SEM图像：（a）截面图，和（b）致密层正视图。（d-g）双层复合固态电解质的SEM图像和EDS图谱。（i）双层复合固态电解质的实物图。

要点二：该双层复合固态电解质具有较高的电导率（ 0.101 mS cm-1 at 25 °C）和较高的离子迁移数（0.62）

图4. 双层复合固态电解质的（a）XRD图,（b）CV图和（c）TGA曲线,（d）室温下的Nyquist 图，以及（e）Arrhenius图。（f）各种电解质锂离子迁移数的对比。

要点三：对称电池循环实验表明，双层复合固态电解质可以有效缓解枝晶，提高锂金属/固态电解质的界面稳定性。并且，采用双层复合固态电解质的全电池展现出了优异的倍率性能和循环稳定性

图5. Li / Li对称电池在60℃下的循环性能。（a）不同的电流密度下的循环电压曲线。（b）Li / Li对称电池在0.4 mA cm-2电流密度下的长循环表现。

图6. 采用双层复合固态电解质的全固态电池的性能表征。（a-b）倍率性能。（c-d）循环性能。

对称电池实验表明，双层复合固态电解质可承受高于0.8 mA cm-2的电流密度，并可以在这0.4 mA cm-2的电流密度下稳定循环500小时，表明了其优越的锂枝晶抑制能力。采用双层复合固态电解质的Li/LFP全固态电池可以稳定循环500圈而不会发生明显的容量衰减。

要点四：实验表征及数值模拟结果表明，双层复合固态电解质的致密层可以使界面处的离子分布均匀，从而均匀锂金属的沉积，有效的缓解了枝晶的产生。

图7. 在不同电解质中循环后的锂金属负极的表面形态的SEM图像：（a）双层复合固态电解质；（d）传统复合固态电解质。通过（b）新型双层复合固态电解质和（e）传统复合固态电解质的界面锂离子分布的数值模拟。（c）双层复合固态电解质的致密层和（f）传统复合固态电解质的AFM表面形貌图。（g）双层复合固态电解质和（h）传统复合固态电解质中锂离子分布和锂沉积行为的示意图。

结论

本工作开发了一种具有不对称双层陶瓷框架的新型复合固态电解质，可同时提高固体电解质的离子电导率并缓解电池中锂枝晶的形成。陶瓷框架中有垂直排列孔的多孔层可提供高效的离子传输路径，而致密层则可在界面处均匀锂离子分布，从而使该固态电解质具有较高的离子电导率和出色的枝晶抑制能力。

结果表明，采用双层复合固态电解质的对称电池可以在0.4 mA cm-2的电流密度下稳定循环500小时；Li/LFP全固态电池在1 C下循环500次后能达到143.5 mAh g-1的高容量而没有明显的容量衰减。该工作为实现无枝晶，长寿命的全固态锂金属电池提供了新的思路。

文章链接

A composite solid electrolyte with an asymmetric ceramic framework for dendrite-free all-solid-state Li metal batteries

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA00451D#!divAbstract

通讯作者介绍

赵天寿教授。中国科学院院士、香港科技大学张英灿工程及环境学冠名讲席教授、机械及航空航天工程系讲座教授、香港科大能源研究院院长、香港科大高研院资深学人、美国机械工程师学会 Fellow、英国皇家化学学会 Fellow、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者讲座教授。

曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、两次国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究，在国际学术期刊发表SCI论文360余篇，SCI引用18000余次，h-因子达73。

巫茂春博士。

2014年本科毕业于华南理工大学化学与化工学院，2018年博士毕业于香港科技大学机械与航空航天系，随后留在课题组从事博士后工作。现为香港科技大学机械与航空航天系研究助理教授。主要从事新型电池系统（液流电池、离子电池等）前沿课题的相关研究，已在Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, Applied Energy等国际学术刊物上发表研究论文50余篇，被引用1400余次，H因子21。

第一作者介绍

林彦可，现为香港科技大学机械与航空航天系博士研究生。主要研究方向为全固态锂金属电池。

课题组介绍

http://zhaogroup.ust.hk/