全固態(tài)電池要實(shí)現(xiàn)充電如加油般快捷，負(fù)極是“關(guān)鍵戰(zhàn)場(chǎng)”。14日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所獲悉，該所武建飛研究團(tuán)隊(duì)提出并系統(tǒng)驗(yàn)證了電子—離子協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(EICN)設(shè)計(jì)理念，為突破全固態(tài)電池超快充瓶頸提供了新的材料設(shè)計(jì)范式。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《ACS可持續(xù)化學(xué)與工程》。

硫化物全固態(tài)電池兼具高能量密度和優(yōu)異的安全性，是全球動(dòng)力電池競(jìng)逐的制高點(diǎn)。然而，電池在高倍率充放電過(guò)程中，負(fù)極電子傳輸緩慢、鋰離子擴(kuò)散受限、固—固界面持續(xù)退化和枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題相互交織，制約了全固態(tài)電池的倍率性能和循環(huán)壽命。

針對(duì)這一難題，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究團(tuán)隊(duì)提出電子—離子協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略，并開(kāi)發(fā)出新型Li–Al–Si–Zn(ASZ@Li)四元合金負(fù)極。該合金負(fù)極由鋰鋁、鋰鋅和鋰硅多相組成，其中，鋰鋁相構(gòu)建出連續(xù)的電子傳輸通路，好比為電極鋪設(shè)了高速電子公路;鋰鋅相展現(xiàn)出極強(qiáng)的親鋰性，充當(dāng)了鋰離子的快速、均勻傳輸通道;富硅區(qū)域則負(fù)責(zé)可逆地儲(chǔ)存鋰并緩沖體積變化。三者協(xié)同實(shí)現(xiàn)了電子導(dǎo)電、離子傳輸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的統(tǒng)一。

得益于EICN結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，ASZ@Li合金負(fù)極與Ni90高鎳正極配對(duì)后，全固態(tài)電池在55℃下展現(xiàn)出驚人的倍率性能，僅需72秒即可完成一次完整充放電，并在數(shù)千次循環(huán)后依然保持高容量，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用潛力。

通過(guò)進(jìn)一步研究，科研團(tuán)隊(duì)厘清了電子—離子協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的深層工作機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，鋁的引入有效提升了材料的電子導(dǎo)電能力，鋅則增強(qiáng)了材料親鋰性并降低鋰離子遷移勢(shì)壘，雙管齊下實(shí)現(xiàn)了電子與鋰離子的協(xié)同快速輸運(yùn)。

武建飛介紹，這種設(shè)計(jì)從根本上降低了界面阻抗，抑制硫化物電解質(zhì)分解并維持穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，提升全固態(tài)電池在高倍率條件下的循環(huán)穩(wěn)定性。