近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院康飛宇、賀艷兵、呂偉、侯廷政團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天津大學(xué)楊全紅團(tuán)隊(duì)，提出了一種新型塑性固態(tài)電解質(zhì)界面，該界面兼具優(yōu)異機(jī)械性能、鋰離子傳輸性能和梯度親鋰/疏鋰特性，大幅提升了固態(tài)電池在大電流密度下和低溫下的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
固態(tài)鋰金屬電池是一種使用固態(tài)電極材料和固態(tài)電解質(zhì)材料、不含任何液體的鋰電池，因其高能量密度、高安全性在電動(dòng)汽車(chē)和大規(guī)模儲(chǔ)能等方面應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)，盡管固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率已大幅提升，但在大電流密度、低溫充放電等嚴(yán)苛工況下，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的固-固接觸界面失效的問(wèn)題仍嚴(yán)重制約了電池性能。
傳統(tǒng)富含無(wú)機(jī)物組分的固態(tài)電解質(zhì)界面雖具有高模量，但其本征脆性易導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致電池性能衰退，使得固態(tài)電池難以實(shí)現(xiàn)在大密度電流、低溫等嚴(yán)苛工況下保持長(zhǎng)壽命穩(wěn)定循環(huán)。
針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)界面“唯強(qiáng)度論”的設(shè)計(jì)思路，將“塑性”作為新型固態(tài)電解質(zhì)界面組分篩選的核心指標(biāo)。以Pugh準(zhǔn)則為理論依據(jù)，通過(guò)人工智能輔助篩選，他們發(fā)現(xiàn)硫化銀、氟化銀等材料不僅具備良好的塑性變形能力，還能顯著降低鋰離子的擴(kuò)散能壘。
基于篩選結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種含AgNO3添加劑和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。該體系可在固態(tài)電池運(yùn)行中，通過(guò)原位置換反應(yīng)將脆性L(fǎng)i2S/LiF組分轉(zhuǎn)化為塑性Ag2S/AgF組分，構(gòu)建出具有“外柔內(nèi)剛”梯度結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)界面。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)猶如為鋰金屬負(fù)極量身定制了一套“塑性鎧甲”，既保證了在低溫和大電流密度條件運(yùn)行過(guò)程中界面層的結(jié)構(gòu)完整性，又實(shí)現(xiàn)了高效的離子傳輸并抑制了副反應(yīng)。
研究結(jié)果表明，這種塑性固態(tài)電解質(zhì)界面使固態(tài)電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在室溫及15毫安/平方厘米的電流密度和15毫安時(shí)/平方厘米的面積容量下，鋰金屬對(duì)稱(chēng)電池能夠穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)4500小時(shí)；在-30℃的環(huán)境中，對(duì)稱(chēng)電池仍能在5毫安/平方厘米的電流密度和5毫安時(shí)/平方厘米的面積容量下穩(wěn)定循環(huán)7000小時(shí)以上；匹配高性能正極材料的固態(tài)全電池也具有優(yōu)異的大倍率和低溫循環(huán)性能。
該成果提出了一條從固態(tài)電解質(zhì)組分設(shè)計(jì)到理想界面的精準(zhǔn)構(gòu)建路徑，為解決固態(tài)電池的界面失效問(wèn)題提供了全新策略，并為新型界面層設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，對(duì)實(shí)用化固態(tài)電池的研發(fā)具有重要實(shí)用價(jià)值。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09675-8
編輯：李華山
