具有高比容量的富鋰層狀氧化物（LLO）正極材料可以顯著提高全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）的能量密度。然而，由于初始活化不佳，LLO材料在ASSLBs中的實(shí)際比容量極低。

中科院青島生物能源與過(guò)程研究所崔光磊等首次采用具有原位微分相差成像的掃描透射電子顯微鏡來(lái)研究Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂的初始活化機(jī)制。

圖1. LLO的HAADF-STEM圖像

結(jié)合STEM圖像和原位DPC結(jié)果，這項(xiàng)工作確認(rèn)了LLO中Li₂MnO₃和LiTMO₂相的共存。由于納米級(jí)Li₂MnO₃和LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂相的共存，在LLO晶粒和 LLO/Li₆PS₅Cl界面上觀察到鋰離子傳輸不均勻性。因此，在第一次充電期間Li₂MnO₃的活化受到嚴(yán)重限制，這可歸因于LLO中的納米級(jí)相分離阻礙了鋰離子通過(guò)其顆粒的傳輸，并導(dǎo)致Li₂MnO₃?/Li₆PS₅Cl界面的高阻抗。

圖2. Pt/LLO/LPSCl/Pt的原位電荷密度分布表征

此外，ASSLBs和液體電池中LLO的電化學(xué)性能比較表明，由于正極材料/固態(tài)電解質(zhì)界面的高阻抗和固態(tài)電解質(zhì)的低離子傳導(dǎo)性，Li₂MnO₃的活化在ASSLBs中受到了更嚴(yán)重的限制。

該研究對(duì)富鋰材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和異質(zhì)鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)有了基本的了解，對(duì)ASSLBs中Li₂MnO₃相的急劇約束性激活提出了一些新的觀點(diǎn)。這項(xiàng)研究將為合理設(shè)計(jì)納米級(jí)結(jié)構(gòu)和正極/電解質(zhì)界面提供指導(dǎo)，以充分釋放ASSLBs中富鋰材料的高能量密度。

圖3. LLO正極的電化學(xué)性能

Direct Observation of Li-Ion Transport Heterogeneity Induced by Nanoscale Phase Separation in Li-rich Cathodes of Solid-State Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202209626