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?西安交大/西南交大JEC:氧化物固態(tài)電解質(zhì)和高容量正極全固態(tài)鋰金屬電池的可行性

?西安交大/西南交大JEC:氧化物固態(tài)電解質(zhì)和高容量正極全固態(tài)鋰金屬電池的可行性
與有機聚合物基固態(tài)電解質(zhì)的成功應用相比,無機陶瓷SE,如石榴石型、NASICON型、鈣鈦礦、鹵化物等,由于其具有較高的氧化電位、較高的離子電導率、不可燃性和較強的機械性能,為高容量、高性能耦合提供了可行性,近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。然而,正極顆粒與無機電解質(zhì)顆粒之間的接觸不良,使得鋰離子在正極與無機固態(tài)電解質(zhì)之間的傳質(zhì)非常困難,嚴重的阻礙了全固態(tài)電池的實際應用。
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在此,西安交通大學劉洋洋、徐謝宇和西南交通大學焦星星等人認為500 ℃ 的共燒結(jié)溫度可以制造出結(jié)構(gòu)完整且容量衰減較小的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2?(NCM)復合正極。此外,在 LLZO 燒結(jié)溫度不足的情況下,其會在多晶 LLZO 內(nèi)部形成較弱的晶界 (GB),這會使得鋰絲在 SE 界面生長的過程中誘發(fā) SE 的晶間失效。
因此,提高 GB 強度,將晶粒細化至 0.4 μm,并消除界面缺陷,以推遲弱 GB SE 的電化學機械失效。同時,還可以采用先進的燒結(jié)技術(shù)來降低 NCM-LLZO 復合正極和 LLZO SE 的共燒結(jié)溫度,從而實現(xiàn)具有更高能量密度和更高安全性的先進 ASLMB。
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圖1. 共燒結(jié)后 NCM-LLZO 復合正極內(nèi)部的殘余應力
總之,該工作通過熱-機械和電化學-機械模型,評估了ASLMBs與LLZO SE和大容量正極NCM耦合的可行性,以實現(xiàn)更高的能量密度,并保證安全問題。在共燒制備NCM- LLZO復合正極的過程中,NCM二次粒子仍存在熱應力,在較高的共燒溫度下對二次粒子的均勻性進行了破壞。因此,為了保持NCM-LLZO復合正極的結(jié)構(gòu)完整性,減弱副反應導致的容量衰退,建議將溫度控制在500℃左右。
該工作通過多物理場模擬應力場和損傷的產(chǎn)生,揭示了復合全固態(tài)正極(NCM-LLZO)共燒結(jié)過程中內(nèi)部的熱-力學過程,以及在鋰金屬生長過程中LLZO電解質(zhì)的晶界在欠溫燒結(jié)時受到的電化學-力學失效,這為全固態(tài)電池的可行性以及影響因素奠定了理論基礎,為開發(fā)下一代更高能量密度的固態(tài)鋰金屬電池提供了方向。
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圖2. 晶粒大小對 SE 失效的影響
Viability of all-solid-state lithium metal battery coupled with oxide solid-state electrolyte and high-capacity cathode,?Journal of Energy Chemistry?2023 DOI: 10.1016/j.jechem.2023.12.003

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