北京理工大学Advanced Functional Materials：固态锂金属电池界面电/化/力耦合问题

【成果简介】

2019年4月16日，著名材料学期刊《先进功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2019, 1900950.）在线报道了北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士，陈浩森副教授，宋维力副教授与北京理工大学材料学院陈人杰教授合作发表的固态锂金属电池界面电/化/力耦合问题综述。该综述从全新的电-力-化耦合的角度分析了固态锂金属电池中界面物理接触和锂沉积两个关键的界面问题，并对相应的失效机理和解决方案进行了分析和展望。

近年来，电子信息、轨道交通、航空航天等许多领域对二次电池的能量密度的要求不断提高，如何有效提高电池的能量密度是目前学术界、产业界关心的重要问题。而全固态锂金属电池因其能量密度高、电池结构安全简单而一直被认为是最具前景的下一代高性能二次电池。目前，全固态锂金属电池的研发尚处于初步阶段，固态电解质离子电导率、固-固界面接触问题、锂枝晶生长等一系列问题严重限制了其进一步发展和应用。

【图文导读】

图1.固态锂金属电池界面电/化/力耦合失效问题示意图

在该综述中，作者将固态锂金属电池中关键的界面问题分为了两种，即电极-电解质界面物理接触问题和界面锂沉积问题。在界面物理接触问题中，其关键问题主要有材料自身兼容性差异引起的接触问题（MIIC），电极材料变形断裂引起界面接触失效问题（DFIC）及电极材料体积变化引起的接触失效问题（VCIC）。而锂沉积的电-力-化耦合问题主要包括沉积诱导应力问题（PIS），枝晶生长引起SEI膜断裂问题（GIS）以及电极变形引起的界面应力问题（DIS）。

图2.固态锂金属电池界面问题多尺度、多场耦合研究方法

该团队通过系统地文献调研，从界面失效机理、原位观测方法和理论计算研究三个方面系统地分析了固态锂金属电池界面的电-力-化耦合问题，并对相应的电-力-化耦合接触理论、枝晶生长模型、高精度原位透射电镜等的亟待解决的问题进行了详细分析和展望。

图3.电-力-化耦合界面改进方法（结构设计，应力调控）及固态锂金属电池应用前景

最后，该综述从电-力-化耦合全新的角度对固态锂金属电池界面改性方法进行了分析和总结，并对固态锂金属电池的应用前景进行了展望。在界面物理接触问题中，比较有效的方法是通过结构设计和电极表面改性提高电极-电解质界面接触面积，以及优化电池装配压力。而在锂沉积问题中，根据锂枝晶的生长特性，可从枝晶形核、生长及穿刺三个阶段进行调控和改性。在初始形核阶段，主要通过调控沉积应力和枝晶生长织构来促进其均匀形核；在枝晶生长阶段，主要可通过构筑三维电极结构来限制枝晶的生长；而在枝晶穿刺阶段，其主要方法是通过层合、颗粒增强等结构设计方法来构筑高强度复合固态电解质来抑制枝晶穿刺。

北京理工大学方岱宁院士、陈人杰教授、陈浩森副教授、宋维力副教授为本文的共同通讯作者。北京理工大学博士生王鹏、屈文洁为本文的共同第一作者。

文献链接：

“Electro–Chemo–Mechanical Issues at the Interfaces in Solid-State Lithium Metal Batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201900950

本文由北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁团队供稿。

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