【儀表網 研發快訊】12月7日，北京理工大學材料學院李麗教授、吳鋒院士課題組在高比能全固態鋰離子電池研究中取得重要進展，對高鎳正極設計了一種競爭摻雜策略，成功實現了異質原子(Ta)對高鎳正極的體相摻雜，以及壓電材料(LiNbO3)對高鎳正極進行表面修飾，同時提升了高鎳正極的內稟穩定性以及其與硫化物固態電解質的界面兼容性，顯著提升了全固態電池的循環穩定性。相關成果發表以“Chemical Competing Diffusion for Practical All-Solid-State Batteries”為題發表于Journal of the American Chemical Society。北京理工大學材料學院2022級博士研究生代中盛為第一作者，博士后研究員孫璇為共同第一作者。
 

　　日益嚴重的能源危機和環境問題促進了人們對先進能源材料的探索和開發。鋰離子電池作為一種新型儲能裝置，已成功應用于電動汽車和智能電網。目前基于液態電解質的鋰離子電池已經可以實現優越的循環，并且部分固態電解質的鋰離子電導率也與液態電解質相當。然而，高比能高鎳正極匹配硫化物固態電解質時發生的一系列失效反應嚴重阻礙了全固態電池的循環壽命。首先，高鎳正極內稟的低穩定性造成了其晶體結構的快速破壞；其次，高鎳正極析出的氧氣不僅造成其本身發生界面相變，也造成了其對固態電解質的化學氧化；另外，高鎳正極與電解質固-固界面的低兼容性形成的空間電荷層也嚴重阻礙了離子輸運。
 

　　鑒于此，北京理工大學材料學院李麗教授、吳鋒院士課題組提出了一種利用競爭摻雜的方式穩定高鎳正極進而提升其與固態電解質表面兼容性的策略。具體來說，由于高鎳正極前驅體在拓撲鋰化過程中產生的過渡金屬空位有限，因此Ta和Nb原子在摻雜過程中表現出競爭特性。在本工作中，計算和實驗證實了Ta更容易摻雜進入高鎳正極，由于其與氧有更高的鍵能，防止了氧在高電壓下的過度氧化，顯著提升了高鎳正極的穩定性。此外，Nb易于和表面殘鋰發生反應，生成具有壓電特性的鈮酸鋰，有效了增加了其與固態電解質的界面兼容性，提升了其電化學性能。
 

　　圖一 (A) 壓電材料(LiMO3, M="""Ta/Nb)極化機制；(B)""" 全固態模具電池的循環性能；(C) 全固態軟包電池的循環性能；(D、E ) 改性前后鋰濃度分析。