鋰合金金屬負(fù)極具有較高的理論電荷存儲容量，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。為了避免這個問題，研究人員報告了在全固態(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，實驗室規(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，在簡化制造工藝的同時，通過負(fù)極的冶金設(shè)計改進(jìn)全固態(tài)電池的可能性。相關(guān)研究內(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）不會流動以潤濕體積變化的負(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 演示使用了鑄造顆粒或復(fù)合電極，其概念上與傳統(tǒng)鋰離子電池電極相似。考慮到 SSB 不同的化學(xué)機(jī)械環(huán)境，其他電極概念對于長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，這對于實際應(yīng)用來說是不現(xiàn)實的。此外，避免使用鋰金屬進(jìn)行預(yù)鋰化有利于規(guī)模化電池生產(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)電池的電化學(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 測量。
總結(jié)
長期以來，人們一直在尋求將合金基負(fù)極用于非水電解質(zhì)溶液的電池，但在實際相關(guān)的面積容量和電極厚度條件下尚未實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。該研究結(jié)果表明，固態(tài)結(jié)構(gòu)以及負(fù)極的微結(jié)構(gòu)工程對于實現(xiàn)穩(wěn)定的全固態(tài)二次鋰基電池具有明顯的優(yōu)勢。
研究人員發(fā)現(xiàn)，致密的鋁基負(fù)極在 SSB 內(nèi)的鋰化和脫鋰過程中保持緊湊，并避免了廣泛的 SEI 形成，這種現(xiàn)象困擾著非水電解質(zhì)溶液電池中的合金，從而限制了性能。這種行為可能是由于全固體堆棧引起的機(jī)械限制，以及負(fù)極和 SSE 之間相對穩(wěn)定且平坦的界面接觸（與使用非水電解質(zhì)溶液的電池中穩(wěn)定增加的界面面積相反）。通過添加微量合金元素可以提高SSB循環(huán)性能；5.5 at% 的銦可增強(qiáng)可逆性并改善倍率行為。這是由于分布的高擴(kuò)散率 LiIn 相使得鋰與鋁能夠在大的界面面積上發(fā)生反應(yīng)，從而增強(qiáng)倍率行為，同時還最大限度地減少脫鋰過程中的鋰捕獲。
這些發(fā)現(xiàn)表明，可以將箔合金基金屬電極用于全固態(tài)鋰基電池，從而避免漿料涂覆的需要。此外，箔合金基金屬電極提供了使用一種結(jié)構(gòu)作為離子存儲電極和集電器的可能性。未來優(yōu)化合金成分和微觀結(jié)構(gòu)、確定除銦以外的其他元素添加的影響以及了解材料演變的努力預(yù)計將能夠進(jìn)一步提高性能。
