近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授团队与中国第一汽车股份有限公司研发总院新能源开发院电池开发部合作在全固态锂离子电池研究方面取得重要进展，相关成果以“Ultraconformal chemo-mechanical stable cathode interface for high-performance all-solid-state batteries at wide temperatures”为题发表在储能领域国际著名期刊《Energy & Environmental Science》上。
近年来，为了满足电动汽车对高安全性、高能量密度电池和大规模储能日益增长的需求，基于固体电解质和金属锂负极的全固态锂电池普遍被认为是下一代二次电池新技术。然而，在全固态电池中正极活性材料和固态电解质颗粒间较差的电化学相容性以及固-固“点对点”的物理接触模式严重限制了全固态电池界面处离子、电子的传输能力，制约了全固态电池的发展。因此，对全固态电池电极结构与固-固复合方式的设计是当前亟待解决的关键科学问题。
本工作中，杜菲教授研究团队在设计开发固态电池正极/电解质复合电极、实现合理平衡复合电极中界面处的离子、电子传输能力层面做了深入研究。研究人员首次从复合电极的化学-机械稳定性的角度提出了复合电极的设计方案，揭示了复合电极固-固界面演变规律的本质，阐明了保障界面处的离子、电池传输能力是全固态电池获得优异性能以及在宽温度范围内工作的必要条件。
研究人员采用机械工程的方法合成了复合电极，在复合电极中商用三元正极材料（NCM）和卤化物固态电解质（Li3InCl6）之间形成均匀且超共形的互穿网络，实现了离子、电子的快速传输。且复合电极表现出优异的机械性能，具有高杨氏模量和维氏硬度，可承受全固态电池电极在充放电过程中发生的化学-机械变形，从而保证复合电极结构的完整性与稳定性。这种方法显著提高了全固态电池的能量密度与循环寿命，0.1C电流密度下，比容量达到 216.4 mA h g-1，首次库仑效率高达 91.6%，可与NCM在有机液态电池中的性能相媲美。此外，所提出的全固态电池还具有理想的低温性能，在 0℃ 和 -20℃ 时的容量分别为 172.5 mA h g-1 和 118.4 mA h g-1，是目前全固态电池在低温领域报道中的最高值。这项研究为全固态电池的电极设计，以及在宽温度范围内应用并实现优异性能提供了一种前景广阔的策略。
文章第一作者为吉林大学物理学院2021级博士研究生张子晨，通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、姚诗余副教授。该工作得到了国家自然科学基金委、吉林省科技厅和吉林省科技攻关“揭榜挂帅”项目的大力支持。
全文链接：
https://doi.org/10.1039/D3EE01551C
