8月29日,记者从中国科学技术大学获悉,该校马骋教授课题组和清华大学南策文院士团队合作,制备了倍率性能可与传统浆料涂覆正极相比的复合正极,为克服固态电池中电极-电解质接触差这一瓶颈提供了新思路。相关研究成果日前发表在国际材料学期刊《物质》上。

攻克瓶颈!我国学者制备新型正极材料 为固态电池提供新思路-贤集网金属材料专题

研究人员在使用电镜研究钙钛矿结构固态电解质时,发现富锂层状氧化物这一高性能电极材料的结构可以与钙钛矿结构间形成外延生长的界面,从而在原子尺度形成紧密、充分的固-固接触。进一步对两者间外延界面进行深入分析,发现界面处每15个原子面就会形成一个错配位错,释放积累的应变。这一机制导致了此外延界面的形成并不要求电极和电解质具备相近的晶格尺寸,而是可以广泛发生于多种层状结构材料与钙钛矿结构材料体系之间。

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科研人员将这一结论用于实际的材料制备中,制备出了原子级界面结合的电极-电解质复合正极材料,并对其进行了性能表征。结果显示此方法制备的固-固复合电极中活性物质与电解质之间结合充分程度接近固-液接触,并且其倍率性能也不亚于传统浆料涂覆技术制备的固-液复合物电极。

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该方法的提出为克服固态电池中电极-电解质接触差这一瓶颈提供了新思路。


相比于通常使用的冷压方法,新方案可以在原子尺度实现固态电解质和电极的充分、紧密接触。图中原子分辨率的电子显微镜照片直接证实了这一紧密接触。“这是个惊喜。”文章的第一作者,中国科学技术大学的硕士研究生李富振说道,“在材料中存在缺陷本来是一个很平常的现象,平常到了大部分时候会被人忽略的程度。但是,在对它们进行了细致观测以后,我们发现了意料之外的外延行为,正是这一发现启发了我们用于改进固-固接触的策略。”


利用观察结果,研究者将成分和钙钛矿固态电解质相同的非晶粉末在富锂层状物颗粒的表面做成结晶,成功地在新复合物电极中实现两种固态材料间充分、紧密的接触。解决了电极-电解质接触问题,这种固-固复合物电极的倍率性能可以和和固-液复合物电极相媲美。更重要的是,研究者们还发现这种外延的固-固接触可以容忍很大的晶格错配,因此他们提出的策略可适用于多种钙钛矿固态电解质和层状电极。


“这项工作指明了一个值得探索的新方向。”马骋教授说,“将这种原理应用到其他重要材料中也许能开发出更好的电池性能,引出更有意思的科学问题。我们对此相当期待。”研究团队将沿着这个方向继续探索,并将他们提出的策略应用到其他高容量、高电位的正极中。合作团队包括清华大学的南策文院士团队和美国Ames Laboratory的Lin Zhou博士等。《Matter》是Cell出版集团下新推出的旗舰学术期刊。



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