中国科学院胡勇胜/陆雅翔/赵君梅团队：粘弹性无机固态电解质实现无压无机固

wakeman

研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑

研究亮点


固态电池为电动汽车提供了一种有前途的替代能源。然而，无机电解质的界面机械稳定性不如有机电解质，通常需要高堆栈压力来保持与电极的紧密接触。本文报道了一类粘弹性无机玻璃（VIGLAS），通过简单地用氧代替四氯铝酸盐中的氯来充当固体电解质。VIGLAS对Li+和Na+均具有高离子电导率（30°C时约为1mScm1），与4.3V正极具有优异的化学机械兼容性，并且能够实现无压锂基和钠基固态电池（<0.1MPa）。此外，该电解质的可变形性促进了通过滚压工艺生产薄膜来扩大规模的可行性。


主要内容


固态电池（SSB）引起了人们广泛的研究兴趣，主要是因为它比传统液态电池具有更高的能量密度和更高的安全性。然而，在SSBs的开发中，保持固态电解质和电极材料之间化学机械稳定的界面一直是一个挑战。对于SSB的锂金属和钠金属负极由于其高能量密度而被广泛研究以抑制负极侧界面的化学机械降解。然而，在SSB的正极侧，与高压正极材料的化学稳定性和机械相容性之间仍然存在权衡。大多数无机固态电解质需要高外部堆压，以在操作过程中保持与电极材料的紧密接触。然而，用于施加压力的组件会降低能量密度，并且电池组对电池堆压力施加了严格的上限，这是成功设计SSB电池的最关键的约束之一。因此，如果无机固体电解质也能够具备类似聚合物的机械性能，从而实现无压无机SSB，则具有非常重要的意义。


鉴于此，中科院物理所胡勇胜，陆雅翔研究员联合中科院过程所赵君梅研究员等人报道了一类粘弹性无机玻璃（VIGLAS），作为对Li+和Na+具有高离子电导率（~1mScm1）的固体电解质，它可以同时实现对高压正极材料的化学稳定性和机械相容性，并且具有高离子电导率，从而实现无压无机锂基和钠基SSB。


这些MAlCl42xOx（MACO，M=Li，Na，0.5<x<1）的VIGLAS电解质是通过在四氯铝酸盐中添加高含量的氧来代替氯而合成的。随着氧含量的增加，含氧四氯铝酸盐在室温下会从脆性熔盐转变为韧性玻璃，同时其离子电导率大大提高到1mScm1以上。类似聚合物的粘弹性赋予它们在无压操作条件下承受变形的能力。MACO还可通过4.3V高压正极维持SSB的稳定循环，表现出良好的化学界面稳定性。此外，其熔化温度低于160°C，可以完全渗透到电极材料中，从而获得优异的离子渗透和可扩展性。


作者相信玻璃化无机离子导体和筛选低Tg VIGLAS以获得类似聚合物的机械性能具有很大前景，这有助于全面解决无机电解质机械不稳定性问题，并使无压SSB的实际应用成为可能。

Fig. 1|Polymer-like characteristics of MACO.

Fig. 2|Li+transport mechanism in LACO75 simulated by AIMD at 300K.

Fig. 3|Electrochemical performance of MACO in SSBs.

Fig. 4|Processability and cost-effectiveness of MACO.


研究团队

第一作者 代涛
通讯作者 陆雅翔，赵君梅，胡勇胜
通讯单位 中国科学院物理所，中国科学院过程所

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