张跃钢课题组在全固态锂金属电池研究中取得进展

日期： 2025-02-13

浏览次数: 194

来源：清华大学物理系

硫化物固态电解质Li5.5PS4.5Cl1.5具有锂离子电导率高（≈10 mS/cm）、机械加工性能优异、与金属锂负极的化学兼容性良好等优点，是构建具有高能量密度与高安全性的全固态锂金属电池的最具潜力的候选电解质材料之一。

尽管如此，仍有大量研究表明，即使在较低的电流密度下（0.5-1 mA/cm2），全固态金属锂电池中锂枝晶穿透硫化物固态电解质层导致电池短路的问题依然无法避免。这一问题通常被归因于如下的一系列过程：锂在电解质表面的不均匀沉积导致局域位点的电流密度过高，进而引发电解质裂缝的形成，沉积的锂通过这些裂缝向对电极渗透最终导致电池短路。在这一基础上，为了更清晰且具体地理解锂枝晶造成电池短路的整个过程，以下几个问题亟待得到解答：（1）锂在电解质开放表面（无外部压力）的本征沉积行为是怎样的？（2）裂缝中的自由空间如何影响锂在其中的生长行为？（3）锂在电解质开放表面（自由空间）与电解质内部裂缝（受限自由空间）中的生长行为有何异同？

最近，清华大学物理系张跃钢课题组通过设计构建一系列模型固态电池（基于探针电极的固态电池、基于可阻隔应力的集流体的固态电池、基于人工预构建固态电解质裂缝的固态电池），并结合非原位/原位的显微学与谱学表征手段，对金属锂在电解质开放表面与内部裂缝中的生长行为与微观结构进行了研究，并讨论了自由空间对其的影响。研究发现，当在电解质开放表面（自由空间）沉积锂时，锂呈现出垂直于电解质表面的柱状生长行为，并优先沿（110）晶面生长。当在电解质内部裂缝（受限自由空间）内沉积锂时，锂的生长遵循两种主要模式：（1）通过扩散蠕变，沿着裂缝侧壁表面向对电极渗透，最终到达对电极并导致短路，这一过程中锂不需要完全填充裂缝；（2）垂直于裂缝侧壁表面的柱状生长，并向裂缝内部的自由空间延伸。研究团队还发现，金属锂在初始状态下受外部压力挤压侵入电解质的程度决定了施加电流后锂沿着裂缝向对电极渗透的速率。作为进一步验证，完整的致密烧结电解质（相对密度为99%）最大限度地减少了初始状态下金属锂的挤压侵入，从而使得电池可在6.37 mA/cm²的高电流密度下实现锂沉积而不发生短路，且面容量超过76 mAh/cm²。这一研究工作阐释的锂生长机制为进一步解决全固态锂金属电池中的锂枝晶穿透短路问题提供了重要指导。

这项研究成果以“Influence of Free Space on Lithium Growth Behavior at Open Surfaces and Internal Cracks of Sulfide-based Solid Electrolyte” 为题发表在学术期刊Advanced Materials上。清华大学物理系张跃钢教授为该文的通讯作者，清华大学物理系2019级博士生任帅阳为文章的第一作者。该项工作得到国家重点研发计划项目(2022YFA1203400)的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202414239

上一篇：巴西PCH稀土矿新发现碳酸岩型矿化下一篇：上海光机所在n型β-Ga2O3单晶光电性能调控方面取得进展

Hot News / 相关推荐

厦门稀土材料研究中心在同位素热光伏系统用稀土选择性发射体领域取得新进展

2025 - 04 - 25

点击次数: 30

来源：厦门稀土材料研究中心在深空深海等极端环境下，核电池可替代传统化石能源、太阳能实现长时间电力供给。随着深空深海探测任务（火星探测、极地信标等国家重大需求）的不断深化，同位素热光伏电池（RTPV）成为有潜力实现千瓦级大功率输出的核电池首选。目前，美国、俄罗斯、日本等国家在RTPV系统开发上处于领先地位，而我国在该领域的开发尚处于起步阶段。在RTPV系统中，选择性发射体是决定能量转换效率的关键器件...

施祖进课题组与合作者: 无需配体支撑的过渡金属阴离子Ni2-

2025 - 04 - 25

点击次数: 33

来源：化学与分子工程学院过渡金属通常具有亲电性，呈现正价态。负价过渡金属配合物较为罕见，需要电子受体配体的支撑才能相对稳定，如铁族金属羰基配合物阴离子[Ni(CO)3]2-，此时过渡金属的价态仅为形式负价。即便如此，含形式负价的过渡金属配合物通常难以在常温固相条件下稳定存在，因此缺少过渡金属负价态的明确光谱学证据（X射线吸收光谱），限制了对过渡金属特殊负价态和亲核性的认识。近日，北京大学施祖进联...

具有优异选择性发射性能的热光伏发射体候选材料Er(Ta1-xNbx)O4

2025 - 04 - 24

点击次数: 51

来源：清华大学出版社期刊中心选择性发射体是决定放射性同位素热光伏（RTPV）系统能量转换效率的关键部件之一。开发具有高选择性发射率、高光谱效率和优异高温稳定性的选择性发射体可以有效提高RTPV系统的能量转换效率和服役寿命。为了调节选择性发射率和光谱效率，制备了一系列与GaSb半导体匹配的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)选择性发射体。所制备的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0...

北理工课题组在多金属氧簇导向的银团簇合成方面取得重要进展

2025 - 04 - 24

点击次数: 49

来源：北京理工大学近日，北京理工大学吕红金课题组在多金属氧簇导向的银团簇合成方面取得重要进展。相关成果以“Wearing Gigantic Silver Armor on Transition-Metal-Containing Polyoxometalates: Formation of Supertetrahedral Intercluster Compounds”为题发表在国际知名化学期刊《A...