实现高性能正极/电解质界面的快速高温微波焊接策略
马里兰大学
Available online 22 May 2020
使用无机电解质的固态锂电池由于其更好的安全性和较高的能量密度，有望使储能系统发生革命性的变化。然而，固体电解质（SSE）与电极，特别是正极之间的固-固界面较差，严重阻碍了其应用。
近日，马里兰大学的胡良兵教授等人在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Rapid, high-temperature microwave soldering toward a high-performance cathode/electrolyte interface”的文章。Geng Zhong，Chengwei Wang为本文共同第一作者。
作者报告了一种通过快速、高温微波焊接方法降低高性能正极/SSE界面电阻的简便策略。作为概念论证，作者用V2O5正极焊接了一种石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）SSE，其具有较高的热稳定性和合适的熔化温度。
微波焊接技术可以选择性地熔化颗粒状V2O5的表面，迅速形成一个完整的、连续的正极层，其中含有紧密嵌入的炭黑纳米颗粒，使正极的电子导电性显著提高690倍。此外，将熔化的V2O5正极保形地焊接到石榴石电解质上，导致正极/石榴石界面电阻降低28倍（从14.4 kΩ cm2降至0.5 kΩ cm2）。
因此，这种全固态全电池在100°C时总电阻低至0.3 kΩ cm2，可在不添加液体/聚合物电解质的情况下实现稳定的电池循环性。快速微波焊接策略是迈向全固态电池发展的重要一步。
固态电池，正极石榴石界面，石榴石电解质，微波，快速加热
1、固态锂电池优缺点
与传统的锂离子电池相比，固态锂电池（SSLB）具有高能量密度，更长的循环寿命和更高的安全性。
然而，由于SSE与电极(正极和负极)之间较差的固-固界面接触，使得SSLBs的大规模商业化仍然具有挑战性，这将产生比使用液体或聚合物电解质的电池高出两个数量级以上的较大界面阻抗。此外，这种不良的非共形界面接触会导致局部电流密度高，导致Li电镀/剥离不均匀，最终导致电池短路。
所幸锂金属负极具有较高的电子和锂离子电导率以及较低的软化温度（∼180 ℃），这为通过表面改性和界面工程来降低负极/SSE界面阻抗提供了机会。例如，通过在Li负极和SSEs之间引入一层薄的界面层，它们之间的润湿相互作用得到了显著改善，从而导致界面电阻显著降低。然而，由于正极材料离子电导率低，刚性颗粒正极粉体与刚性颗粒正极粉体接触不良等原因，正极界面一直是阻碍SSLBs发展的一个问题。
迄今为止，大部分方法涉及使用一层新的锂离子导体。例如，将聚合物锂离子导体夹在正极和SSE之间，以缓冲其界面处的接触不良。交联聚合物具有良好的界面相容性，既可以作为粘合剂，又可以作为电解质，使固态电池能够稳定循环。
然而，软性有机聚合物可能会带来潜在的安全问题，并且由于添加了非活性材料会牺牲器件的热稳定性并降低其能量密度。针对这些限制，无机锂离子导电夹层（如Li4Ti5O12、LiBO3、Li2.3C0.7B0.3O3和Li1.4Al0.4Ti1.6（PO4）328）最近被用于改善可充电固态电池的正极界面。这些陶瓷夹层具有良好的热稳定性和化学稳定性以及较高的机械强度，可显著提高电池的安全性。
通过在正极和SSE之间的界面烧结，可以获得足够的界面接触，从而降低界面阻抗，提高电化学性能。然而，高温下较长的烧结时间（通常超过30 min）不仅降低了加工效率，而且还会引起副反应，影响电池性能。因此，为了获得高性能的SSLBs，需要一种简单有效的技术来解决正极界面问题。
作者展示了一种快速高温微波焊接方法，使正极和SSE之间紧密结合，从而改善界面，显著降低界面电阻。作为概念论证，作者将V2O5正极和石榴石型LLZO-SSE之间的固体-固体界面进行了微波焊接，因为它们具有较高的热稳定性和合适的熔化温度。
快速微波加热使V2O5的表面在几秒钟内选择性熔化并再凝固，从而导致正极与SSE之间成功焊接以及并在正极复合材料中产生颗粒。结果表明，正极与固体电解质之间的界面电阻和正极复合材料的电子电阻显著降低。
基于改进的正极界面，这种锂/石榴石/五氧化二钒全固态电池显示出较低的总电阻，在没有引入其他中间层或聚合物粘合剂以及100°C条件下成功地循环了60次以上。这项工作提供了一个简单而有效的方法，以实现正极和SSE之间的良好的界面，这是朝着开发安全和高能量密度全固态电池迈出的重要一步。
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720301938#!
老师简介:
胡良兵 教授
美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系教授，博士生导师，先进材料与纺织中心主任（CAPT）。2018年获得R&D100大奖；2017年获得纳米科技杰出青年研究者奖和海军杰出青年研究奖，2016年获得ACS能源和石油分会杰出研究奖和杰出青年工程师，2015年获得马里兰大学杰出学者浆和3M分享工程奖，2014年获得马里兰杰出青年工程师和马里兰物理科学发明奖等。已在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nano., PNAS, Chemical Review, Nano Letters等顶级英文期刊上发表学术论文200余篇，被引用超过15,000次。国际会议特邀报告70多次。他主要从事能源储存与转换，木材纤维基的纳米纤维和纳米微晶的研究；重点研究纳米纤维素在光学和电学方面的应用和高性能低成本新能源器件。
说明
🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。
🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
