近年来,石墨在锂离子电池(LIBs)中的低理论容量(372 mAh g−1)已经不能满足人们对高能量密度的安全可充电电池的需求。人们尝试使用具有高理论比容量和低还原电位的体心立方晶体(LiBCC)相的金属锂作为负极材料。但在电镀过程中,LiBCC不规则生长,会穿透隔膜,造成短路,最终引起起火爆炸。使用挥发性和可燃性液体电解质会加剧安全问题。即使不考虑短路问题,低库仑效率也限制了整个电池的循环能力。这可能不仅与LiBCC沉积过程中界面副反应有关,而且还与LiBCC溶出诱导的真实接触面积减小有关,后者通常在动力学上成为限制。由于几乎所有的导Li+的电解质在与LiBCC接触时都是热力学不稳定的,问题是如何防止LiBCC/电解质的真实接触面积及副反应无限制地增长,同时保持足够的真实接触面积以及长距离离子和电子渗透的连通性。这是一个与应力和腐蚀有关的问题。因此,采用固体电解质的全固态电池(ASSB),预计在应力和腐蚀方面都与基于液体电解质的电池有根本不同。因此,ASSB的架构设计是非常重要的。
成果简介
近日,麻省理工学院李巨教授展示了一种超薄纳米多孔混合离子和电子导体(MIEC)中间层(~3.25μm),作为Li0吸附原子形成、LiBCC成核以及SE/LiBCC界面离子和电子的长程传输的三维(3D)支架, 用于调节LiBCC的沉积和剥离。该MIEC中间层由硅化锂和碳纳米管组成,对LiBCC具有热力学稳定性和高度亲锂性。此外,其纳米孔(<100 nm)将沉积的LiBCC限制在LiBCC表现出由扩散变形机制控制的“越小越软”的尺寸依赖性塑性de1尺寸范围内。因此,LiBCC保持足够柔软,不会机械地穿透固态电解质(SE)。在进一步电镀时,LiBCC在集流体和MIEC夹层中间生长,而不是直接接触SE。因此,采用Li3.75Si-CNT/LiBCC箔作为负极和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为正极的全电池放电比容量高达207.8 mAh g−1,初始库仑效率92.0%,200次循环后容量保持率88.9%(数十次循环后库仑效率仍保持在99.9%)和优异的倍率性能(5C时为76%)。该研究以 “Ultra-Thin Lithium Silicide Interlayer for Solid-State Lithium-Metal Batteries”为题发表Advanced Materials上。