全固態(tài)鋰電池中鋰枝晶的生長及抑制機理的研究分析

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究室研究員方前鋒課題組通過設(shè)計非對稱結(jié)構(gòu)固態(tài)電池，研究了鋰離子在固態(tài)電池中的沉積及傳輸規(guī)律，為探究全固態(tài)鋰電池中鋰枝晶的生長及抑制機理提供了重要參考。相關(guān)研究成果以Intragranular growth and evenly distribution mechanism of Li metal in Li7La3Zr2O12 electrolyte 為題發(fā)表在Journal of power sources上。

鋰離子電池能量密度高、穩(wěn)定性強、循環(huán)壽命長，作為一種商業(yè)化的高效儲能器件得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于商用鋰離子電池中使用易燃的有機電解液，當(dāng)電池處于高溫、短路、過充或者物理損傷等狀態(tài)時，極易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。所以使用不可燃的無機固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是解決鋰電池安全性問題最為有效的方法之一。然而，由于鋰離子在負(fù)極沉積過程中，會自發(fā)形成樹枝狀的鋰枝晶，其尖銳結(jié)構(gòu)容易刺破隔膜，導(dǎo)致電池短路，造成安全隱患。因此，采用無機固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)有機電解液，并有效抑制充放電過程中鋰枝晶的生長，可較好地解決鋰離子電池的安全問題，而正確認(rèn)識鋰離子在固態(tài)電池中的沉積及傳輸過程，對于抑制鋰枝晶生長，防止電池短路至關(guān)重要。

為此，科研人員通過將電解質(zhì)兩側(cè)金屬鋰電極設(shè)計成互為垂直結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了非對稱結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池（圖1a），通過觀察鋰在電解質(zhì)表面沉積狀態(tài)來推斷鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)部的傳輸過程。同時，在電解質(zhì)表層中心區(qū)域濺射Au原子層，通過與未濺射Au原子層區(qū)域相比較，獲取Au原子層對鋰離子沉積的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，電解質(zhì)表層的電子分布狀態(tài)會直接影響電解質(zhì)內(nèi)鋰離子的傳輸路徑（圖1b），使得來自電解質(zhì)上表層的鋰離子在電解質(zhì)內(nèi)呈發(fā)散狀傳輸。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在未濺射Au濺射區(qū)，鋰離子沉積呈現(xiàn)為無規(guī)則區(qū)域富集分布狀態(tài)（圖1a中藍(lán)框內(nèi)左側(cè)區(qū)域），將誘導(dǎo)鋰枝晶生長進而誘發(fā)短路現(xiàn)象發(fā)生。而在濺射有Au原子層區(qū)域，鋰離子沉積呈現(xiàn)為均勻球形顆粒分布狀態(tài)（圖1a中紅框區(qū)域及藍(lán)框內(nèi)右側(cè)區(qū)域），有效抑制了由于鋰枝晶的生長帶來的鋰離子電池的安全隱患。該工作的開展為全固態(tài)電池界面性能優(yōu)化及安全性能提升提供了理論與實驗基礎(chǔ)。

該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的支持。

圖1：（a）鋰離子在固態(tài)電解質(zhì)表面不同區(qū)域沉積形貌；（b）鋰離子傳輸及沉積示意圖。

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