商用鋰離子電池由于采用含有易燃有機溶劑的電解液，存在安全隱患。發(fā)展用固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池是提升電池安全性的可行技術途徑。

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石榴石型固態(tài)電解質(zhì)因高離子電導率、寬電化學窗口和對鋰穩(wěn)定而成為目前研究中的熱點材料之一。但是在某一的電流密度下，鋰枝晶會貫穿固態(tài)電解質(zhì)，造成電池短路，該電流密度被稱之為臨界電流密度。低臨界電流密度嚴重制約了該類固態(tài)電解質(zhì)的實際應用。

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北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒課題組在之前的工作中通過軟接觸 (Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701437) 以及納米潤濕效應(Adv. Mater, 2017, 1704436) 等概念，創(chuàng)造了較為穩(wěn)定的電解質(zhì)與金屬鋰的界面，從而抑制鋰枝晶的生長。

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近日，新材料學院潘鋒團隊在國際著名期刊《先進能源材料》上發(fā)表題為Revealing the Short-Circuiting Mechanism of Garnet-BasedSolid-State Electrolyte（Advanced EnergyMaterials, IF = 21.875, 2019, 9, 1900671）封面文章，系統(tǒng)研究了石榴石類固態(tài)電解質(zhì)臨界電流密度關鍵因素及該臨界條件下發(fā)生短路的微觀機制。

研究團隊發(fā)現(xiàn)石榴石型Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12(LLCZN)中鋰枝晶的生長蔓延進而造成短路的現(xiàn)象源于流經(jīng)LLCZN的電子對Li⁺離子的還原作用。

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發(fā)生短路的電流密度之所以存在臨界的現(xiàn)象而不是一種簡單的電流密度對時間的累計效應，則是源于LLCZN電子電導的非線性伏安特性曲線。

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在較低電壓下，LLCZN電子電導率很低，少量的電子供應難以誘導產(chǎn)生鋰枝晶。當外加電壓大于某一閾值后，電子電導率急劇增大，大量供應的電子迅速還原鋰離子，形成鋰枝晶，進而造成短路。通過在LLCZN顆粒表面包覆一層LiAlO2(LAO)，電解質(zhì)的電子電導率大大降低，從而能夠較大地提升固態(tài)電解質(zhì)的臨界電流密度。

相對于傳統(tǒng)的鋰枝晶刺穿機理，研究團隊提出了新的石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的短路機理：在沒有界面修飾的情況下，鋰離子會與電子在晶界表面結合，形成金屬鋰，隨著電流增大，形成的速率可能會在某一個拐點迅速變大，從而導致電解質(zhì)瞬間短路；而通過界面修飾，抑制了電子在晶界表面的傳輸，從而大大降低了金屬鋰的形成。

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臨界電流密度機制

該工作為今后設計具有高臨界電流的固態(tài)電解質(zhì)提供了新的思路。

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該研究工作第一作者是宋永利博士和楊盧奕博士，通訊作者是潘鋒教授。該系列工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。

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Song Y, Yang L, Zhao W, et al. Revealing the Short‐Circuiting Mechanism of Garnet‐Based Solid‐State Electrolyte[J]. Advanced Energy Materials, 2019: 1900671.