全固態(tài)電池正極/電解質(zhì)界面研究
硫化物固態(tài)電解質(zhì)(LGPS)由于擁有與液態(tài)電解質(zhì)接近的室溫離子電導(dǎo)率,因此被視為下一代高能量密度電池的候選體系之一。但是,由于硫化物固態(tài)電解質(zhì)較窄的電化學(xué)窗口(如Li10GeP2S12,1.7~2.1 V vs. Li/Li+),在與較高工作電壓的LiCoO2氧化物正極(LCO)匹配時(shí)會(huì)發(fā)生一系列副反應(yīng),在界面處堆積低電導(dǎo)的氧化副產(chǎn)物(如Li3PS4, S, GeS2),同時(shí)LGPS和LCO電化學(xué)勢(shì)的不匹配還將導(dǎo)致界面處產(chǎn)生空間電荷層(SCL),這些因素都將極大地增加固態(tài)電池的界面阻抗,進(jìn)而使得固態(tài)電池的性能迅速衰減。目前,解決氧化物正極-硫化物固態(tài)電解質(zhì)界面不匹配問題的主要途徑為在氧化物正極表面包覆一層過渡層,用以緩沖正極和電解質(zhì)界面的電勢(shì)不匹配問題。 通過簡(jiǎn)單易行的固相包覆方法,首先將粒徑為10 nm二氧化鈦納米顆粒均勻分散在鈷酸鋰表面,再通過高溫?zé)Y(jié)處理在鈷酸鋰表面形成一層約1.5納米保護(hù)層。對(duì)照實(shí)驗(yàn),F(xiàn)IB-TEM原位觀察和XPS佐證表明通過高溫原位反應(yīng)鈷酸鋰表面將形成Li2CoTi3O8尖晶石相(LCTO)。具有穩(wěn)定三維尖晶石結(jié)構(gòu)的LCTO晶體在鈷酸鋰工作的電壓區(qū)間依然能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,與鈷酸鋰基體之間具備較強(qiáng)的鍵合,同時(shí)具有高的鋰離子擴(kuò)散能力(Li+= 8.22×10-7 cm2 s−1),低電子電導(dǎo)(2.5×10-8 S cm-1)。這些性質(zhì)將有助于在LCO和LGPS之間形成有效的電壓降,保持界面穩(wěn)定性的同時(shí)提供快速的離子遷移通道。理論計(jì)算表明,相較于LCO/LGPS界面,通過引入LCTO中間層產(chǎn)生的兩個(gè)替代界面,即LCTO/LCO和LCTO/LGPS具有更強(qiáng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性和更強(qiáng)的界面親和力。
廈門大學(xué)
2021-02-01