以金屬鋰作負極的全固態(tài)鋰金屬電池在理論能量密度和安全性上都遠優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池。然而，鋰負極不受控的枝晶生長以及低庫倫效率嚴重制約了鋰負極全固態(tài)鋰金屬電池的實用化發(fā)展。因此開發(fā)高性能負極材料成為了全固態(tài)電池研究領(lǐng)域熱點。
三星高等研究院In Taek Han研究員帶領(lǐng)的研究團隊聯(lián)合日本三星研究院設(shè)計開發(fā)了一種獨特的銀-碳（Ag-C）復(fù)合負極，替代鋰（Li）金屬負極，結(jié)合硫銀鍺礦（Argyrodite）型固態(tài)電解質(zhì)制備了軟包的全固態(tài)電池，獲得了高達942 Wh/kg能量密度，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，在電動汽車等高比能儲能應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)研究已經(jīng)表明，相比傳統(tǒng)石榴石型固態(tài)電解質(zhì)，Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)具備更加優(yōu)異的離子導電性、柔軟特質(zhì)、機械性能。因此研究人員通過機械加壓方法制備了Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)（Li6PS5Cl），導電率測試顯示，其室溫離子導電率超過1 mS/cm，表現(xiàn)出優(yōu)異的離子導電性。隨后利用濕化學法在不銹鋼集流體上制備了Ag-C復(fù)合負極并對其對金屬Li的沉積-剝離過程影響進行了研究，充電后掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)，在無Ag-C復(fù)合電極的不銹鋼集流體上明顯觀察到了Li不均勻沉積和枝晶形成，相反在含有Ag-C電極不銹鋼集流體上則觀察到了Li的均勻沉積，主要原因是Ag改善了導電性降低了Li成核能壘促進了Li的均勻成核。放電后，含有Ag-C電極不銹鋼集流體鋰沉積全部分解，這表明了Ag-C電極有效調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積-剝離過程，避免枝晶形成，有助于電池壽命的延長。接著以Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)作為電解質(zhì)，以比容量超過210 mAh/g、面積容量高于6.8 mAh/cm2的高鎳層狀過渡金屬氧化物（LiN0.9Co0.05Mn0.05O2,NCM955）作為正極、Ag-C復(fù)合材料作為負極組裝成雙層堆疊式軟包電池，并利用等溫靜壓技術(shù)來改善固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間的界面接觸。此外，為了避免正極材料在高壓下的界面副反應(yīng)，研究人員在NCM955正極表面包覆了一層厚度為5 nm的氧化鋰-氧化鋯（Li2O-ZrO2）復(fù)合物涂層。在0.5C電流密度下進行充放電循環(huán)測試，結(jié)果顯示電池放電比容量高達5870 mAh，能量密度942 Wh/kg，平均庫倫效率高達99.8%，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000次，表現(xiàn)了優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。研究人員還測試各種不同高溫下電池穩(wěn)定性，結(jié)果顯示電池表現(xiàn)出良好耐高溫特性，且該電池體積僅為同樣容量傳統(tǒng)鋰離子電池一半。
圖1基于獨特銀-碳復(fù)合負極的全固態(tài)電池
該項研究精心設(shè)計和制備了獨特銀-碳復(fù)合負極，替代鋰金屬負極，結(jié)合硫銀鍺礦型固態(tài)電解質(zhì)制備了全固態(tài)電池，獲得了高達942 Wh/kg能量密度和99.8%平均庫倫效率；此外銀-碳電極有效調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積-剝離過程，避免枝晶形成，顯著提升了電池壽命，穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，推動固態(tài)電池技術(shù)向商業(yè)化邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Energy》[1]。
[1] Yong-Gun Lee, Satoshi Fujiki, Changhoon Jung, et al. High-energylong-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carboncomposite anodes, Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0575-z
