鋰合金金屬負(fù)極具有較高的理論電荷存儲(chǔ)容量，是開發(fā)高能可充電電池的理想選擇。然而，這種電極材料在使用標(biāo)準(zhǔn)非水液體電解質(zhì)溶液的鋰離子電池中表現(xiàn)出有限的可逆性。為了避免這個(gè)問題，研究人員報(bào)告了在全固態(tài)鋰離子電池配置中使用非預(yù)鋰化鋁箔基負(fù)極的工程微結(jié)構(gòu)。當(dāng)30 μm厚的Al94.5In5.5負(fù)極與Li6PS5Cl固態(tài)電解質(zhì)和LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2基正極相結(jié)合時(shí)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電池在高電流密度(6.5 mA cm?2)下提供數(shù)百次穩(wěn)定循環(huán)，具有實(shí)際相關(guān)的面積容量。研究人員還證明，由于鋁基體內(nèi)分布的LiIn網(wǎng)絡(luò)，多相Al-In微觀結(jié)構(gòu)可以改善速率行為和增強(qiáng)可逆性。這些結(jié)果表明，在簡(jiǎn)化制造工藝的同時(shí)，通過負(fù)極的冶金設(shè)計(jì)改進(jìn)全固態(tài)電池的可能性。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
與鋰離子電池相比，固態(tài)電池提供了完全不同的化學(xué)機(jī)械環(huán)境。例如，固態(tài)電解質(zhì)（SSE）不會(huì)流動(dòng)以潤(rùn)濕體積變化的負(fù)極顆粒的表面，這可以穩(wěn)定SEI的形成。具有硅基負(fù)電極的SSB與使用非水電解質(zhì)溶液的電池相比表現(xiàn)出改善的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，具有各種合金基負(fù)極（硅和鋁）的SSB可以實(shí)現(xiàn)高能量密度和比能，甚至接近具有過量鋰的鋰金屬SSB。然而，最近的合金負(fù)極 SSB 演示使用了鑄造顆?；驈?fù)合電極，其概念上與傳統(tǒng)鋰離子電池電極相似?？紤]到 SSB 不同的化學(xué)機(jī)械環(huán)境，其他電極概念對(duì)于長(zhǎng)期耐用性可能是可行的，包括開發(fā)致密箔電極。與鋰金屬物理合金化的厚（>100 μm）銦箔或鋁箔已被用作 SSB 負(fù)極，以充當(dāng)鋰匯，但這些厚箔具有大量多余的材料，導(dǎo)致能量密度低，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說是不現(xiàn)實(shí)的。此外，避免使用鋰金屬進(jìn)行預(yù)鋰化有利于規(guī)?；姵厣a(chǎn)。
圖文導(dǎo)讀
SSB內(nèi)各種負(fù)極的能量指標(biāo)和負(fù)極結(jié)構(gòu)。
采用鋁基負(fù)極的全固態(tài)電池額電化學(xué)行為。
各種電池配置中鋁基電極的循環(huán)、倍率行為、阻抗和 GITT。
循環(huán)前后鋁基負(fù)極的非原位 XRD 表征。
Al 94.5 In 5.5和鋁箔在 SSB 循環(huán)不同階段的異位低溫 FIB-SEM 測(cè)量。
總結(jié)
該研究制備了一種硬碳穩(wěn)定的鋰硅合金負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)載和高電流密度下的長(zhǎng)期循環(huán)，抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。通過對(duì)鋰原子分布和鋰離子分布的相場(chǎng)模擬，論證了鋰離子負(fù)極的有效性和硅與HC的最佳質(zhì)量比(4:6)。該材料可以防止硅負(fù)極的急劇降解，減輕硅負(fù)極的軟短路。通過對(duì)負(fù)極的xrd、XPS、SEM和AES的分析證實(shí)，富鋰離子電子網(wǎng)絡(luò)滲透到負(fù)極中，擴(kuò)大了負(fù)極的活性面積，從而提高了電動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。具有aLiSH46負(fù)極和LCO陰極的ASSB在20℃(14.64 mA cm-2)的電流密度和0.7 mAh cm-2的面容量下展示了30,000次循環(huán)。此外，LiSH46負(fù)極使NMC811 ASSB在負(fù)載下具有5000次循環(huán)。還實(shí)現(xiàn)了超高放電電流密度(155.3 mA cm-2)，NMC811負(fù)載為6mA cm-2。最后，從20 mAh cm-2的加載NMC811｜LiSH46電池中獲得了電池級(jí)能量密度為263 Wh kg-1，面積容量為16.92mAh cm-2的ASSB。良好的電動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的電化學(xué)性能為ASSB的商業(yè)化提供了一種有前景的方法。
文章來源：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39685-x
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原標(biāo)題：《【復(fù)材資訊】全固態(tài)鋰電新進(jìn)展！提升倍率、循環(huán)性能——最新Nature Comm.》
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