全固態鋰電池通過以固態電解質替代易燃的有機電解液,并兼容高容量鋰金屬負極,有望實現遠超傳統液態鋰離子電池的安全性和能量密度,且能實現在極低溫、高溫等極端環境下的應用。然而,目前固態電解質本身的鋰離子傳輸穩定性及析鋰(鋰離子在電解質內部得電子被還原)引發的短路問題,仍是制約全固態電池發展的關鍵瓶頸之一。到目前為止,受限于光學顯微鏡、掃描電鏡和同步輻射X成像等技術的空間分辨率,固態電解質短路失效的納米尺度起源尚不明確。

近日,中國科學院金屬研究所研究員王春陽聯合美國加州大學爾灣分校教授忻獲麟、麻省理工學院教授李巨,在全固態電池失效機制研究方面取得進展。研究團隊利用原位透射電鏡技術在納米尺度揭示了無機固態電解質中的軟短路—硬短路轉變機制及其背后的析鋰動力學。

原位電鏡觀察表明,固態電解質內部缺陷(如晶界、孔洞等)誘導的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導致固態電池短路,這一過程分為兩個階段:軟短路和硬短路。軟短路(其本質是動態可逆的非法拉第電子擊穿)源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時互連。伴隨著軟短路的高頻發生和短路電流增加,固態電解質逐漸從名義上的電子絕緣體轉變為類憶阻器的非線性電子導體狀態,導致固態電池發生硬短路。在此過程中,缺陷誘導的納米尺度析鋰和“浸潤”導致多晶固態電解質發生“類液態金屬脆化”開裂,這是固態電解質發生軟短路到硬短路轉變的本質原因。針對多種無機固態電解質的系統研究表明,這一失效機制在NASICON型和石榴石型無機固態電解質中具有普遍性。

基于上述發現,研究團隊利用三維電子絕緣且機械彈性的聚合物網絡,發展了無機/有機復合固態電解質,有效抑制了固態電解質內部的鋰金屬析出、互連及其誘發的短路失效,顯著提升了其電化學穩定性。

該研究通過闡明固態電解質的軟短路—硬短路轉變機制及其與析鋰動力學的內在關聯,為固態電解質的納米尺度失效機理提供了全新認知,為新型固態電解質的開發提供了理論依據。

相關研究成果以Nanoscale Origin of the Soft-to-Hard Short-Circuit Transition in Inorganic Solid-State Electrolytes為題,發表在《美國化學會志》(JACS)上。

論文鏈接

無機固態電解質中的軟短路—硬短路轉變機制示意圖以及其抑制機理

鋰金屬析出—電解質短路動力學的原位電鏡觀察

軟短路—硬短路的轉變動力學的原位電鏡觀察和短路電流監測

有機—無機復合固態電解質中的穩定鋰離子傳輸