克服鋰電池固體電解質的瓶頸

中國科學技術大學(USTC)的馬誠教授及其合作者提出了一種有效的策略，以解決限制下一代固態鋰電池發展的電極-電解質接觸問題。以這種方式產生的固體-固體復合電極表現出優異的容量和倍率性能。

用固體電解質代替傳統鋰離子電池中的有機液體電解質可以大大緩解安全問題，并有可能破壞“玻璃天花板”以提高能量密度。但是，主流電極材料也是固體。由于兩種固體之間的接觸幾乎不可能像固體和液體之間那樣緊密，因此，目前基于固體電解質的電池通常表現出不良的電極-電解質接觸和不令人滿意的全電池性能。

該研究的主要作者，中國科學技術大學馬成教授說：“固態電池的電極與電解質的接觸問題有點像木桶的最短壁。” “實際上，這些年來研究人員已經開發出許多出色的電極和固體電解質，但是它們之間的不良接觸仍然限制了鋰離子的傳輸效率。”

幸運的是，馬云的策略可以克服這一巨大挑戰。該研究始于對鈣鈦礦結構的原型固體電解質中雜質相的逐個原子檢查。盡管雜質和固體電解質之間的晶體結構差異很大，但是觀察到它們形成了外延界面。經過一系列詳細的結構和化學分析，研究人員發現雜質相與高容量的富鋰分層電極是同構的。也就是說，原型固體電解質可以在由高性能電極的原子框架形成的“模板”上結晶，從而產生原子上緊密的界面。

第一作者李富珍說：“這真是一個驚喜。”李富珍目前是中國科學技術大學的研究生。“材料中雜質的存在實際上是非常普遍的現象，這種現象非常普遍，以至于大多數時候它們都會被忽略。但是，仔細研究它們之后，我們發現了這種意外的外延行為，這直接啟發了我們的策略以改善固-固接觸。”

利用觀察到的現象，研究人員在富含鋰的層狀化合物表面上故意使非晶態粉末與鈣鈦礦結構固體電解質具有相同的成分結晶，并成功地實現了這兩種固體材料之間的徹底無縫接觸。復合電極。隨著電極-電解質接觸問題的解決，這種固體-固體復合電極提供了甚至與來自固體-液體復合電極的速率能力相當的速率能力。更重要的是，研究人員還發現這種類型的外延固-固接觸可以容忍較大的晶格失配，因此他們提出的策略也可適用于許多其他鈣鈦礦固體電解質和層狀電極。

馬云說：“這項工作指出了一個值得追求的方向。” “將此處提出的原理應用于其他重要材料可能會導致更好的電池性能和更有趣的科學。我們期待著它。” 研究人員打算繼續朝這個方向進行探索，并將擬議的策略應用于其他高容量，高電勢的陰極。

該研究發表在Celler雜志的Matter期刊上，題為“固體電解質與鋰電池電極之間的原子緊密接觸”。