EES：拓宽用于固态锂金属电池的固态离子导体选择

一、【导读】

过去的固态电池研究中，寻找同时具有电子绝缘性、在低电压和高电压下稳定以及可持续性的固态离子导体是一个具有挑战性的任务。目前广泛使用的陶瓷锂离子导体在平衡所有这些标准方面存在困难，并且在应用于固态锂金属电池时选择有限。来自美国加州大学尔湾分校忻获麟教授团队提出了一种新的固态电解质设计范式，即在两个固态电子隔离层之间夹入陶瓷锂离子导体，以允许更广泛范围的陶瓷锂离子导体应用于固态锂金属电池，并解决陶瓷锂离子导体的电子绝缘性和（电）化学稳定性要求的问题。

二、【成果掠影】

作者通过设计一种固态电子隔离层，将聚合物UVEA薄膜与无机LICs（LATP，LVO和LTO）结合，以提高电池的寿命并降低安全风险。UVEA薄膜具有高室温离子导电性、低电子导电性、宽电化学稳定窗口和相对较高的Li+传输数。它还具有良好的抗拉强度和弹性模量。将UVEA薄膜与LATP、LVO和LTO等无机LICs结合，可以改善基于LATP、LVO和LTO的三明治SSEs的整体离子导电性，从而实现更好的接触和提供额外的离子传输途径。相关研究成果以“Broadening solid ionic conductorselection for sustainable and earth-abundant solid-state lithium metalbatteries”为题发表在国际知名期刊Energy Environ. Sci.上。

三、【核心创新点】

1、首次报道了蜂梳上的弹射驱动的固体颗粒排斥现象，揭示了刚度梯度放大的弹射效应，以增强惯性输出至可克服原本微观尺度下占主导的粘附力，进而实现固体颗粒排斥。

2、作者利用传统均匀设计中不可能实现的固体排斥性，构建了弹性仿生刚度梯度弹射器，并与太阳能板相结合，证明了其在构建自清洁系统以用于大型基础设施自维护的普适性及实用性。

四、【数据概览】

图 1.界面 SSE 的示意图和电化学性能 © 2023 RSC

（a）-（b）反应型LIC和MEIC用作固态电解质时的电池失效机制示意图

（c） 本文提出的三明治型固态电解质结构示意图和工作机制

（d） 基于本文所提出的三明治型SSE设计

（e） 本文所采用的不同 LIC 的电化学稳定性窗口和电子电导率对比

图2 UVEA-LVO-UVEA 电解液中沉积锂金属的形态和固体-电解质界面研究

© 2023 RSC

（a）Li//UVEA -MIEC//Cu电池结构示意图

（b）-（c）从Li//UVEA- MIEC//Cu电池中提取的MIEC（LVO）颗粒的扫描电镜图像

（d）Li//UVEA-MIEC-UVEA //Cu电池的结构示意图

（e）使用Li//UVEA-MIEC-UVEA//Cu电池在Cu上电镀Li⁰的俯视SEM图像

（f）从Li//UVEA-MIEC-UVEA//Cu电池中提取MIEC (LVO)沉淀的横截面SEM图像

（g）显示使用UVEA-LVO-UVEA三明治电解质在Cu网上沉积Li⁰的形态的低倍冷冻-TEM图像

（h）Li⁰沉积物的代表性高倍冷冻-TEM图像和相应的EDP

（i）具有SEI的沉积Li⁰的原子分辨率低温-TEM图像

图3 UVEA-LATP-UVEA 电解质中沉积锂金属的界面电阻、形态和固体-电解质界面研究 © 2023 RSC

（a）-（b）Li//LATP//Li和Li//UVEA-LATP-UVEA//Li对称电池在原始状态下的EIS

（c）Ti 2p XPS谱图

（d）LATP颗粒的实物图像

（e）铜箔表面上沉积的Li⁰的SEM图像

（f）低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）图像

（g）沉积物的电子衍射图

（h）高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像和能量色散光谱（EDS）图

（i）Li⁰沉积物的原子分辨率低温TEM图像

（j）SEI中Li₂O纳米晶体

（k）循环Li//UVEA-LATP-UVEA//Li中Li⁰的F 1s XPS谱

（l）循环Li//UVEA-LATP-UVEA//Li中Li⁰的N 1s XPS谱

图4 . 界面 SSE 的电化学特性 © 2023 RSC

（a）室温下在Li//Li对称电池中测试的UVEA -LATP-UVEA的临界电流密度

（b）固态Li//UVEA-LATP-UVEA//Li和Li//UVEA//Li电池放电/充电曲线

（c）Li//UVEA-LATP-UVEA//NMC 811和Li//UVEA//NMC811电池在0.2 C下的循环稳定性

（d）Li//UVEA-LATP-UVEA//NMC 811电池在0.2 C下的相应充电/放电曲线

（e）在理论N/P比为2.25的情况下，具有NMC811阴极的基于裸UVEA和三明治型SSEs的固态电池的循环性能

五、【总结】

总之，研究人员介绍了一种固态电解质配置，可有效拓宽电池无机离子导体的选择。关键的设计原则是用离子导电但电子绝缘的固体隔膜来保护无机离子导体。作者已经彻底证明了三种高度不同的锂离子导体（从传统固体电解质到电极活性材料）在全固态锂金属全电池中的可行性，具有优异的循环性能和低N/P比。这项工作为在固态锂电池中应用传统的反应性和电子导电无机锂离子导体提供了一种直接解决方案。 SSE架构设计策略拓宽了SSE的选择和设计，在降低SSE成本和进一步提高其可持续性方面显示出巨大潜力。。

原文详情：

Broadening solid ionic conductor selection for sustainable and earth-abundant solid-state lithium metal batteries. Energy Environ. Sci.DOI: 10.1039/D3EE02657D.本文由尼古拉斯供稿