全固态电池迎来重大突破 朝商业化迈出坚实一步

2022-01-10 10:44  来源:cnBeta.COM  浏览:  

来自东京理工大学、AIST 和山形大学的研究团队近日发明了一种恢复低电阻的策略,从而在全固态电池商业化道路上迈出了坚实的一步。他们还探索了基本的还原机制,为从根本上了解全固态锂电池的工作原理铺平了道路。

由于传统的锂离子电池已经不能满足先进技术的标准,例如电动汽车需要高能量密度、快速充电和长循环寿命,因此全固态锂电池已经成为材料科学和工程领域的新热潮。全固态电池使用固体电解质而不是传统电池中的液体电解质,不仅符合这些标准,而且相对来说更安全、更方便,因为它们有可能在短时间内充电。

然而,固体电解质也有自己的挑战。重要挑战之一是,正极和固体电解质之间的接口显示出一个大的电阻,其根源还不太清楚。此外,当电极表面暴露在空气中时,电阻增加,使电池的容量和性能下降。虽然已经做了一些尝试来降低电阻,但没有人能够将其降低到 10Ω cm2(欧姆-厘米-平方),即报告的不暴露在空气中时的界面电阻值。

最近发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》的一项研究中,由日本东京工业大学(Tokyo Tech)的 Taro Hitosugi 教授和东京工业大学的博士生 Shigeru Kobayashi 领导的研究小组可能最终解决了这个问题。

通过建立一个恢复低界面电阻的策略,以及解开这种减少的机制,该团队为高性能全固态电池的制造提供了宝贵的见解。这项研究是东京理工大学、日本国立高等产业技术研究所(AIST)和山形大学联合研究的结果。

首先,该团队准备了由锂负极、钴酸锂正极和 3PO4 固体电解质组成的薄膜电池。在完成电池的制造之前,该团队将钴酸锂表面暴露在空气、氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和水蒸汽(H2O)中30分钟。

令他们惊讶的是,他们发现与未暴露的电池相比,暴露在 N2、O2、CO2 和 H2 下并没有降低电池的性能。Hitosugi 教授说:“只有H2O蒸气使Li3PO4-LiCoO2界面强烈退化,并使其电阻值急剧增加,比未曝光界面的电阻值高10倍以上”。

该团队接下来进行了一个称为“annealing”的过程,在这个过程中,样品在 150°C 的温度下进行了一个小时的电池形式的热处理,即沉积了负极。令人惊讶的是,这将电阻降到了 10.3Ω cm2,与未暴露的电池的电阻相当。通过进行数值模拟和尖端测量,研究小组随后发现,这种降低可归因于“annealing”过程中质子从二氧化锂结构中的自发移除。

Hitosugi 教授总结道:“我们的研究表明,钴酸锂结构中的质子在恢复过程中发挥着重要作用。我们希望这些界面微观过程的阐明将有助于拓宽全固态电池的应用潜力”。

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