鋰離子電池因其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命，已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，在極端寒冷條件下，傳統(tǒng)鋰離子電池的容量和功率輸出大幅降低，同時(shí)充電過(guò)程中鋰枝晶的形成風(fēng)險(xiǎn)增加。這些問(wèn)題的主要原因是液態(tài)電解質(zhì)的粘度增大、界面阻抗增加以及離子導(dǎo)電性下降，嚴(yán)重影響了電池的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和整體性能。相比之下，全固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，能夠有效避免這些問(wèn)題。固態(tài)電解質(zhì)對(duì)溫度波動(dòng)不敏感，避免了液態(tài)電解質(zhì)在低溫下溶解/脫附能力下降或粘度增大的問(wèn)題。此外，在全固態(tài)電池體系中，不存在傳統(tǒng)鋰離子電池的液/固界面去溶劑化過(guò)程。這意味著在極低溫條件下，全固態(tài)電池具有更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻和更快的電化學(xué)反應(yīng)優(yōu)勢(shì)。然而，全固態(tài)電池仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是晶界處的離子傳輸受溫度影響較大，導(dǎo)致低溫下整體離子電導(dǎo)率下降，進(jìn)而影響電池性能。非晶態(tài)固態(tài)電解質(zhì)作為一種潛在的解決方案，通過(guò)去除晶界，可實(shí)現(xiàn)各向同性的離子導(dǎo)電路徑，能夠減少低溫下離子傳輸?shù)牟贿B續(xù)性，從而提升全固態(tài)電池的低溫性能。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院鄒如強(qiáng)/高磊課題組聯(lián)合南方科技大學(xué)，在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications上發(fā)表題為“All-solid-state batteries designed for operation under extreme cold conditions”的研究論文(https://www.nature.com/articles/s41467-024-55154-5)。該研究針對(duì)極端寒冷工況，研發(fā)了一種新型的非晶固態(tài)電解質(zhì)材料xLi3N-TaCl5 (1 ≤ 3x ≤ 2)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于這種非晶電解質(zhì)的全固態(tài)電池。這類非晶固態(tài)電解質(zhì)（3x = 1.25時(shí), 即L1.25NTCl）在25 ℃下可實(shí)現(xiàn)5.91 mS cm?1的離子電導(dǎo)率，從而保證全固態(tài)電池體相內(nèi)部和正極/電解質(zhì)界面處的高效離子傳輸。通過(guò)整合LiCoO2（LCO）正極、非晶電解質(zhì)L1.25NTCl、硫化物電解質(zhì)Li10GeP2S12（LGPS）界面層和Li-In負(fù)極，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了面向低溫環(huán)境運(yùn)行的全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該全固態(tài)電池Li-In|LGPS-L1.25NTCl | LCO在–10、–30和–40 ℃時(shí)分別展現(xiàn)出183.19、164.8和143.78 mAh g?1的高放電容量，且在–30 ℃和18 mA g?1電流密度下循環(huán)100次后仍保持137.6 mAh g?1的放電容量（容量保持率83.50%）。此外，該全固態(tài)電池在–60 ℃下能夠保持充放電循環(huán)超過(guò)200小時(shí)，展示出其在極端寒冷條件下的應(yīng)用潛力。
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院鄒如強(qiáng)教授、高磊副研究員和南方科技大學(xué)朱金龍、韓松柏教授為本文的共同通訊作者，第一作者為博士生洪博龍和高磊副研究員，我院鄭家新副教授和博士生賴根明也為本工作的理論計(jì)算部分做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等項(xiàng)目的資助。
面向低溫環(huán)境運(yùn)行的全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
