ACS Nano：面向高性能薄膜全固态锂金属电池的电极−电解质界面的整体设计

Nanoyu

2021-02-26

随着第四次工业革命（4IR）的到来，薄膜全固态电池（TF-ASSBs）正成为驱动小型电子器件的最有前途储能技术。然而，目前的TF-ASSBs仍然受制于对高性能电池组件的永久需求。尽管TF固体电解质（即LiPON）和电极（正极和锂金属负极）的每一个组成部分都至关重要，然而，由于缺乏对正极（或负极）−电解质界面（CEI）(或AEI)的进一步了解和改善的能力，从而严重阻碍了TF-ASSBs的发展。

近日，韩国忠南大学Hyun-Suk Kim，韩国科学技术院（KAIST）Il-Doo Kim，Ji-Won Jung报道了一种利用LiPON（500 nm），具有氧空位（O_vacancy）的非晶态TF-V₂O_5−x正极，厚度为1 μm的薄浓缩锂负极（evp-Li），以及在evp-Li和LiPON之间人工超薄A_l2O₃层的TF-ASSBs整体设计。

文章要点

1）在非晶态TF-V₂O_5−x正极中，精准的O_vacancy，如O(II) _vacancy和O(III) _vacancy，不仅实现了Li⁺在CEI处的各向同性扩散，而且还提高了离子和电子的电导率。对于AEI，研究人员采用了一种Al₂O₃保护层，其是通过面对靶溅射（FTS）方法专门溅射形成的均匀层，没有受到等离子体的破坏。在与evp-Li的接触、界面稳定性、电化学阻抗和电池性能方面，研究人员在不同温度（40、60和80 °C）下，优化了Al₂O₃纳米层（1 nm）的性能。

2）实验结果显示，含Al₂O₃ （1 nm）的TF-ASSB电池在60 °C、2 C下进行400次循环，比容量高达474.01 mAh cm⁻³，即使在100 C也能达到较长的寿命和超快倍率性能；这些结果可媲美液态电解质基TF锂离子电池。

3）研究人员利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和分子动力学(MD)模拟，揭示了AEI的反应机理。

参考文献

Cheng-Fan Xiao, et al, Ensemble Design of Electrode−Electrolyte Interfaces: Toward High-Performance Thin-Film All-Solid-State Li−Metal Batteries, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.0c08691

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08691