電動車充電太慢、冬天趴窩、安全隱患大？

傳說中的下一代固態(tài)電池

何時才能商用？

如何同時實現(xiàn)“快充”和“長壽命”

是固態(tài)電池實用化面臨的關鍵挑戰(zhàn)

清華SIGS康飛宇教授、賀艷兵教授、

呂偉副教授、侯廷政助理教授團隊

聯(lián)合天津大學楊全紅教授團隊

在該領域實現(xiàn)重要突破

給固態(tài)電池鋰金屬負極穿上“塑性鎧甲”

為長期困擾行業(yè)的固態(tài)電池界面失效問題

提供了全新解決策略

北京時間10月30日零時

研究成果以

“用于固態(tài)電池的塑性固態(tài)電解質界面”為題

在線發(fā)表于《自然》（Nature）期刊！

《自然》文章截圖

固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和高安全性被譽為下一代動力電池的發(fā)展方向，在電動汽車和大規(guī)模儲能等方面具有廣闊的應用前景。然而，固態(tài)電池的商業(yè)化長期受困于固態(tài)電解質的低離子電導率和固態(tài)電解質/電極差的固-固界面穩(wěn)定性等難題。雖然大量的研究已將固態(tài)電解質的離子電導率大幅度提升，但固態(tài)電池在大電流密度和低溫充放電等嚴苛工況下，容易發(fā)生界面失效等問題。大量研究表明，鋰金屬負極表面?zhèn)鹘y(tǒng)富無機組分固態(tài)電解質界面（SEI）雖然具有高楊氏模量，然而，其“本征脆性”使其在循環(huán)過程中容易發(fā)生“脆性斷裂”，導致界面緩慢的鋰離子傳輸動力學和嚴重的鋰枝晶生長與界面副反應，使得固態(tài)電池難以實現(xiàn)低溫和大電流密度下的長壽命穩(wěn)定循環(huán)，這一難題至今仍未得到有效解決。

圖1 塑性SEI的組分篩選及其在固態(tài)電池循環(huán)過程中的作用示意圖

近日，清華大學深圳國際研究生院材料研究院康飛宇教授、賀艷兵教授、呂偉副教授、侯廷政助理教授團隊聯(lián)合天津大學楊全紅教授團隊開展了系統(tǒng)性研究，創(chuàng)新性地提出了“塑性富無機SEI”的設計理念，開發(fā)出兼具優(yōu)異機械性能、鋰離子傳輸性能和梯度親鋰/疏鋰特性的新型塑性SEI，大幅度提升了固態(tài)電池在大電流密度下和低溫下的循環(huán)穩(wěn)定性。

研究團隊從SEI結構和模型進行源頭創(chuàng)新，摒棄傳統(tǒng)SEI“唯強度論”的結構模型和設計理念，將“塑性”特征作為新型SEI組分篩選的核心指標，以Pugh準則為塑性判據(jù)（B/G比值≥1.75表明組分具有塑性，其中B為體模量，G為剪切模量），通過對一系列潛在無機物進行了人工智能加速的理論篩選，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散能壘。

圖2 塑性富無機SEI的結構和組分解析

在塑性SEI目標組分篩選的基礎上，研究團隊設計了一種含AgNO3添加劑和Ag/Li6.75La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZTO）填料的有機/無機復合固態(tài)電解質，該體系可在固態(tài)電池運行中通過原位置換反應將脆性Li2S/LiF組分轉化為塑性Ag2S/AgF組分，構建出具有“外柔內(nèi)剛”梯度結構的SEI，該結構中外層塑性Ag2S/AgF組分能夠耗散界面應力，中間富含傳統(tǒng)SEI組分層有效維持傳統(tǒng)高模量，內(nèi)層親鋰組分誘導鋰金屬均勻沉積。這種SEI多層級結構協(xié)同的設計理念，猶如為鋰金屬負極量身定制了一套“塑性鎧甲”，既保證了在低溫和大電流密度條件運行過程中界面層的結構完整性，又實現(xiàn)了高效的離子傳輸并抑制了副反應。

同時，Ag顆粒修飾LLZTO的離子電子混合導體陶瓷填料（Ag/LLZTO）還顯著提升了復合固態(tài)電解質的體介電性能，構筑了高效的鋰離子傳輸通道，實現(xiàn)了鋰離子的快速、均勻沉積反應。結果表明，該“塑性SEI”使固態(tài)電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，在室溫以及15 mA cm–2的電流密度和15 mA h cm–2面積容量下，鋰金屬對稱電池能夠穩(wěn)定循環(huán)超過4500小時；在-30℃的環(huán)境中，對稱電池仍能在5 mA cm–2的電流密度和5 mA h cm–2面積容量下穩(wěn)定循環(huán)7000小時以上；匹配 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極的固態(tài)全電池也具有優(yōu)異的大倍率（20 C）和低溫（-30℃）電化學性能。

圖3 塑性富無機SEI的優(yōu)異塑性變形能力和機械穩(wěn)定性

該工作突破了傳統(tǒng)SEI聚焦追求“堅硬”的設計理念，開創(chuàng)性地將“塑性”作為特征指標，提出了一條從固態(tài)電解質組分設計到理想界面的精準構建路徑，為解決固態(tài)電池的界面失效問題提供了全新策略，并為新型界面層設計提供了重要的理論依據(jù)，對實用化固態(tài)電池的研發(fā)具有重要實用價值。

相關研究成果以“用于固態(tài)電池的塑性固態(tài)電解質界面”（A ductile solid electrolyte interphase for solid-state batteries）為題在線發(fā)表于《自然》（Nature）期刊。

本文通訊作者為康飛宇、賀艷兵、呂偉、侯廷政和楊全紅。清華大學深圳國際研究生院2022級博士米金碩、2023級碩士生楊俊、2021級博士陳立坤和2022級博士生崔雯渟為論文共同第一作者。其他作者還包括清華大學深圳國際研究生院干林副教授、柳明副教授，寧波東方理工大學韓兵助理教授，深圳大學黃妍斐副教授等。研究得到國家自然科學基金項目、“工程科學與綜合交叉”國家重點研發(fā)計劃項目、深圳市科技計劃項目、鵬瑞啟航計劃等多個項目的支持。

論文鏈接：

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文/圖|米金碩 賀艷兵

編輯|葉思佳

審核|聶曉梅 林洲璐

排版|胡靜雯