青島能源所在全固態(tài)鋰金屬電池電-化-力耦合失效機制方面取得重要進展

3月25日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所在全固態(tài)鋰金屬電池電-化-力耦合失效機制方面取得重要進展。相關(guān)成果于近日發(fā)表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。論文第一作者是該所孫富博士，通訊作者為楊超博士、董杉木研究員和崔光磊研究員。

目前，全固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)已成為最具前景的下一代高比能、高安全電化學(xué)儲能技術(shù)。與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的液-固界面不同，全固態(tài)電池中的固-固界面深埋在電池內(nèi)部，而且金屬鋰負(fù)極的水氧敏感、質(zhì)地柔軟等特性使得常規(guī)表征技術(shù)難以用于全固態(tài)鋰金屬電池的研究。因此，原位表征技術(shù)的缺乏阻礙了科研人員對固-固界面的深入研究，導(dǎo)致電池失效機制不清晰，嚴(yán)重制約著全固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)快速發(fā)展。

全固態(tài)電池電化學(xué)-化學(xué)-機械力學(xué)多物理場耦合與電池失效關(guān)系示意圖? ? ??

圖 /孫富? 馬君? 鞠江偉? 董杉木

為解決上述問題，中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心潛心鉆研多年，先后在全固態(tài)電池原位表征技術(shù)、界面失效機制、多尺度多物理場理論模擬和機器學(xué)習(xí)方面取得系列進展(Nature Communications, 2020, 11, 5889;Small Methods, 2021, 5, 2100442)。

孫富介紹，該所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心與德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心、德國聯(lián)邦材料研究所合作，依托無損、原位、三維可視化地同步輻射X射線成像技術(shù)，捕捉到了全固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)后的固態(tài)電解質(zhì)機械形變、鋰金屬電極蠕變以及界面反應(yīng)引起的電池內(nèi)短路行為，同時觀察到了鋰金屬電極與硫化物固態(tài)電解質(zhì)界面反應(yīng)產(chǎn)物的三維分布和反應(yīng)界面的動態(tài)移動，實現(xiàn)了對全固態(tài)鋰金屬電池電-化-力多物理場行為的原位三維可視化表征。同步輻射X射線成像技術(shù)成功解決了全固態(tài)電池中金屬鋰電極的原位可視化表征問題，為電池失效機制的研究提供了技術(shù)保障。

記者了解到，研究人員還率先發(fā)展同步輻射X射線成像結(jié)合其他表征聯(lián)用新技術(shù)，結(jié)合有限元(FEA)分析技術(shù)，進一步闡釋了全固態(tài)鋰金屬電池的電-化-力耦合機制及其與電池失效的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，(電)化學(xué)反應(yīng)可以引起固態(tài)電解質(zhì)和電極材料劇烈地機械形變，而機械形變及(電)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物反過來又會通過影響固態(tài)電池內(nèi)部電勢分布、離子濃度分布和離子通量等關(guān)鍵參數(shù)造成全固態(tài)鋰金屬電池性能衰退。

基于先進的原位表征技術(shù)和多尺度多物理場理論模擬方法開展的全固態(tài)電池失效機制前瞻基礎(chǔ)研究，為發(fā)展界面精準(zhǔn)調(diào)控策略及關(guān)鍵原位聚合技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，為從根本上解決全固態(tài)電池失效問題提供了創(chuàng)新思路，同時為全固態(tài)電池的性能突破提供了重要的理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 金屬電池 界面反應(yīng) 成像技術(shù) 三維可視化 能源系統(tǒng)