高性能硫化物基固態(tài)鋰電池的理性設(shè)計

匯報提綱一、硫化物全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵問題二、剛?cè)岵?三相滲流兼顧電解質(zhì)離子電導(dǎo)和機械性能三、內(nèi)外兼修協(xié)同解決電極/電解質(zhì)界面電-化-力失效四、原位固態(tài)化強化多級界面電-化-力耦合性能固態(tài)鋰電池失效行為降低能量密度降低能量密度容量衰減效行效行池性內(nèi)阻增加降低功率密度降低循環(huán)壽命降低循環(huán)壽命為能為能熱失控降低安全性熱失控降低安全性降低可靠性3G.L.Cui,etal.J.PowerSources,2018,3固態(tài)電池失效與界面息息相關(guān)?降低能量密度?降低倍率性能2.化學(xué)失效?降低安全性2.化學(xué)失效?降低循環(huán)壽命4.機械失效3.電化學(xué)失效4.機械失效多級固-固界面電-化-力失效電池性能衰減的關(guān)鍵原因4同步輻射CT成像技術(shù)研究電-化-力耦合失效電池單向放電ac 電池多次循環(huán) f5電勢場分布電勢梯度集中在界面電池單向放電ac 電池多次循環(huán) f5電勢場分布電勢梯度集中在界面處電解質(zhì)離子濃度分布濃度梯度集中在界面處電極材料的應(yīng)力、應(yīng)變及界面反應(yīng)對電勢場、鋰離子輸運通量以及應(yīng)力分布有重要的影響離子流密度分布最大值集中在界面處應(yīng)力分布尖端處應(yīng)力最大G.L.Cui,etal.Adv.Ene同步輻射CT成像技術(shù)研究電-化-力耦合失效l鋰金屬不均勻沉積/溶l鋰金屬不均勻沉積/溶l正極界面反應(yīng)和正極活NCM|LPSCl|Licell循環(huán)前G.L.Cui,etal.Sci.Bul.2023,68,81367多物理場作用下的多尺度鋰離子遷移行為電/化學(xué)反應(yīng)電/化學(xué)反應(yīng)電場分布力學(xué)行為多物理場耦合電場分布力學(xué)行為多物理場耦合濃度梯度濃度梯度電勢差電極/電解質(zhì)界面電勢差導(dǎo)電通道導(dǎo)電通道正負(fù)極之間正負(fù)極之間微觀界面微觀界面短程到長程電池微結(jié)構(gòu)多尺度通道協(xié)同短程到長程電池微結(jié)構(gòu)多尺度通道協(xié)同能斯特-普朗克方程J(X)=?D?DC保證Li+在多物理場作用下多尺度通道中的順利遷移，是解決固態(tài)電池的性能失效問題的關(guān)鍵8一、硫化物全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵問題二、剛?cè)岵?三相滲流兼顧電解質(zhì)離子電導(dǎo)和機械性能三、內(nèi)外兼修協(xié)同解決電極/電解質(zhì)界面電-化-力失效四、原位固態(tài)化強化多級界面電-化-力耦合性能有機-有機-無機復(fù)合柔性離子柔性離子傳輸材料剛性骨架支撐材料有機-有機有機-有機復(fù)合優(yōu)勢：超薄、柔韌劣勢：低電導(dǎo)率優(yōu)勢：超薄、柔韌劣勢：低電導(dǎo)率固態(tài)電池99連續(xù)的無機骨架連續(xù)的無機骨架G.L.Cui.Mater,2020,2,805三維連續(xù)無機骨架提升電導(dǎo)率三維骨架三維骨架(連續(xù)相)“三相滲流”復(fù)合電解質(zhì)原位聚合u三維氧化物L(fēng)ATP骨架提高復(fù)合電解質(zhì)（P(PEGMEA)）電導(dǎo)率(3.6×10?6→三維連續(xù)無機骨架提升電導(dǎo)率3DLPSCl/P(PEGMEA)u三維硫化物(LPSCl)骨架進一步提高復(fù)合電解質(zhì)電導(dǎo)率u固態(tài)核磁探究離子的輸運行為：連續(xù)無機相>連續(xù)界面相>連續(xù)有機相匯報提綱一、硫化物全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵問題二、剛?cè)岵?三相滲流兼顧電解質(zhì)離子電導(dǎo)和機械性能三、內(nèi)外兼修協(xié)同解決電極/電解質(zhì)界面電-化-力失效四、原位固態(tài)化強化多級界面電-化-力耦合性能內(nèi)：原位可視化技術(shù)揭示離子傳輸瓶頸問題原位DPC-STEM技術(shù)直接觀察凈電荷分布l發(fā)現(xiàn)正極顆粒內(nèi)部不均勻分布的LiTMO2和2MnO3納米疇結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋰離子傳輸不均勻；l鋰離子在電解質(zhì)中聚集→固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率還有待繼續(xù)提升。l鋰離子在電解質(zhì)/電極界面聚集→界面鋰傳輸能力仍有待提高。內(nèi)G.L.Cui.Angew.Chem.Int.Ed.2022,61,e202209626.13內(nèi)：結(jié)構(gòu)設(shè)計提升材料自身性能l通過離子交換、共摻雜構(gòu)建O2型富鋰正極，從根本上次序化結(jié)晶和異質(zhì)生長模型消除納米尺寸相分離，避免高阻抗的Li2MnO3的形成次序化結(jié)晶和異質(zhì)生長模型l異質(zhì)納米疇驅(qū)動硫化物玻璃陶瓷電解質(zhì)中超離子傳輸，實現(xiàn)室溫離子電導(dǎo)率10-2Scm-1外：構(gòu)建鐵電內(nèi)建電場提升界面鋰傳輸動力學(xué)構(gòu)建鈦酸鋇/GClO4鐵電修飾層未修飾修飾后外：構(gòu)建鐵電內(nèi)建電場提升界面鋰傳輸動力學(xué)外：設(shè)計構(gòu)建雙向兼容緩沖層LiZr2(PO4)3l降低界面反應(yīng)能l降低界面鋰擴散勢壘崔光磊.專利202011101181.9.NCMLZP-NCMl修飾層承受更多應(yīng)力，NCMLZP-NCMl修飾層承受更多應(yīng)力，降低體相應(yīng)力PristinePristineCycled未修飾正極充電前后LZP-NCMPristinePristineCycled修飾正極充電前后l修飾層抑制裂紋生長ll修飾層提高力學(xué)性能（4vs50GPa）l修飾層改善循環(huán)穩(wěn)定性G.L.Cuietal.ACSAppl.Mater.Interfaces.2022,14,17674.外：正極電-化-力改性解決多場耦合失效l抑制了正負(fù)極串?dāng)_行為，保持正負(fù)極循環(huán)后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性l證明正極電-化-力耦合改性對抑制負(fù)極鋰枝晶和固態(tài)電解質(zhì)力學(xué)失效的顯著效果鋰負(fù)極循環(huán)前G.L.Cui,etal.Sci.Bul.2023,68,813匯報提綱一、硫化物全固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵問題二、剛?cè)岵?三相滲流兼顧電解質(zhì)離子電導(dǎo)和機械性能三、內(nèi)外兼修協(xié)同解決電極/電解質(zhì)界面電-化-力失效四、單體原位固態(tài)化強化多級界面電-化-力耦合性能原位固態(tài)化強化解決單體電池電-化-力失效分離界面分離界面40倍！靜態(tài)Li+可順利通過一體化界面進行傳輸，界面阻抗降低可自聚合的單體溶液一體化界面使役使役低溫共熔體原位固態(tài)化策略之創(chuàng)新單體開發(fā)●高單體轉(zhuǎn)化率●高單體轉(zhuǎn)化率●骨架高柔韌性AAMethacrylate●●固定陰離子●提高遷移率Urethane●高介電常數(shù)●高介電常數(shù)●骨架高強度CCCycliccarbonate低溫共熔體原位固態(tài)化策略之創(chuàng)新單體開發(fā)G.L.Cui.Adv.Sci.2020,2003370.鋰鹽陰離子原位聚合實現(xiàn)單離子聚合物電解質(zhì)固態(tài)化l首次利用鋰鹽陰離子的原位聚合構(gòu)建聚合物電解質(zhì)，同時提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命和安全性。polymerization高性能硫化物固態(tài)鋰電池驗證≥≥70wt%高低溫高倍率長循環(huán)高低溫高倍率長循環(huán)基于高電導(dǎo)率、高柔韌性的硫化物/聚合物復(fù)合電解質(zhì)和新型儲鋰材料的固態(tài)電池實現(xiàn)長循環(huán)、高倍率、高低溫性能。Tobesubmited高性能硫化物固態(tài)鋰電池驗證基于高電導(dǎo)率、高柔韌性的硫化物/聚合物復(fù)合電解質(zhì)的厚膜高面載電池：厚度353微米；面載量（NCM622）7.5mAhcm-2；能量密度高于400Whkg-1。G.L.Cui,etal.NatCommun14,669(2023)總結(jié)：高性能硫化物固態(tài)電池的構(gòu)建Adv.Sci.2022,9,2202474Adv.Funct.Mater.2021,31,2101523Adv.Sci.2021,8,2003887Matter2020,2:805ACSAppl.Mater.Interfaces2018,10,13588Nat.Commun.2023,14,669Adv.Funct.Mater.2023,33,2300791EnergyEnviron.Sci.2023,16,2591Adv.EnergyMater.2020,10,1903939Adv.EnergyMater.2020,10,2070023Adv.Mater.2019,31,Adv.Funct.Mater.2023,33,2300791EnergyEnviron.Sci.2023,16,2591Adv.EnergyMater.2020,10,1903939Adv.EnergyMater.2020,10,2070023Adv.Mater.2019,31,1902029高性能硫化物基固態(tài)鋰電池Nat.Commun.2020,11,5889Adv.Mater.2019,31,1902029致謝合作者：陳立泉院士、朱道本院士、江雷院士、李泓研究員、谷林研究員、傅強研究