清華新聞網(wǎng)12月1日電 合金負(fù)極是全固態(tài)鋰電池重要的發(fā)展方向，而鋰銦負(fù)極憑借其良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的電勢(shì)，是實(shí)驗(yàn)室中最常使用的合金負(fù)極之一，尤其在硫化物電解質(zhì)的測(cè)試中。雖然鋰銦負(fù)極表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，但是經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分電池都是在低負(fù)載（<1mAh cm-2）和小電流（<0.5mA cm-2）下運(yùn)行的，在高負(fù)載和大電流下鋰銦負(fù)極是否依然穩(wěn)定，目前尚無(wú)研究可以闡明，而這對(duì)固態(tài)電池的基礎(chǔ)測(cè)試具有重要意義。
鋰銦枝晶的STEM-HAADF圖像和EELS分析。（a）鋰銦枝晶的STEM-HAADF圖像；（b）LPSCl-LiIn的中間界面層；（c）用于EDX測(cè)量的鋰銦枝晶圖像；（d）沿紅色箭頭方向P、S、Cl和In元素的線(xiàn)性分布；（e）LPSCl-LiIn界面In和S元素的EELS掃描；（f）鋰銦枝晶、中間界面層和LPSCl電解質(zhì)的EELS光譜。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院張興教授課題組在高負(fù)載（4mAh cm-2）和大電流（3.8mA cm-2）下對(duì)鋰銦負(fù)極組裝而成的硫化物全固態(tài)鋰電池進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池在900圈左右發(fā)生短路失效。經(jīng)過(guò)高分辨率透射電鏡、拉曼光譜、光電子能譜的精確表征和第一性原理分析計(jì)算，結(jié)果表明，金屬銦與硫化物電解質(zhì)是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，二者接觸界面處會(huì)反應(yīng)生成In2S3。當(dāng)電池在高負(fù)載和大電流下循環(huán)時(shí)，負(fù)極界面同時(shí)也是動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的。銦基體伴隨而來(lái)的體積變化與界面反應(yīng)共同作用，導(dǎo)致鋰銦負(fù)極如液體般包裹住電解質(zhì)顆粒向電解質(zhì)內(nèi)部生長(zhǎng)。此外，研究表明，提高電解質(zhì)或鋰銦負(fù)極的電化學(xué)穩(wěn)定性、降低固態(tài)電解質(zhì)的孔隙率是抑制鋰銦枝晶的有效手段。此研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室中固態(tài)電池的測(cè)試和未來(lái)合金負(fù)極的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用。
LPSCl-In界面的AIMD計(jì)算、Raman光譜和XPS分析。（a）模擬前和模擬后的LPSCl-In界面模型；（b）模擬過(guò)程中In-S、In-Cl和P-S鍵徑向分布函數(shù)的演化；（c）新鮮銦箔和與LPSCl接觸7天銦箔的SEM圖像和Raman光譜；（d）與LPSCl接觸7天銦箔的XPS深度分析。
研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)鋰電池中被普遍認(rèn)為穩(wěn)定的鋰銦合金負(fù)極在高負(fù)載、大電流循環(huán)中存在“鋰銦枝晶”的生長(zhǎng)現(xiàn)象，相關(guān)研究成果以“使用硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰基電池中鋰銦枝晶的生長(zhǎng)”（Growth of Lithium-Indium Dendrites in All-Solid-State Lithium-based Batteries with Sulfide Electrolytes）為題，于11月29日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
Li-In|LPSCl|LNO@NCM622電池的循環(huán)性能。（a）室溫、3.8 mA cm-2下的長(zhǎng)循環(huán)性能。（b）第890至第897個(gè)循環(huán)的恒流充放電曲線(xiàn)。（c）第897個(gè)循環(huán)的恒流充電曲線(xiàn)。
論文共同第一作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生羅舒婷、桂林電器科學(xué)研究院有限公司王振宇，清華大學(xué)為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院張興教授和桂林電器科學(xué)研究院有限公司朱凌云教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27311-7
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：陳曉艷
審核：呂婷
