最近，中國科學院合肥材料科學研究院固體物理研究所內部摩擦與固體缺陷研究所研究員方謙峰的研究小組設計了一種不對稱結構的固態電池，用于研究 鋰離子在固態電池中的沉積和傳輸規律。 鋰電池中鋰樹枝狀晶體的生長和抑制機理提供了重要的參考。 相關研究結果發表在《電源》雜志上，標題為Li7La3Zr2O12電解質中鋰金屬的晶內生長和鋰金屬的均勻分布機理。
鋰離子電池具有高能量密度，強穩定性和長循環壽命，已廣泛用作商業和高效的儲能設備。 但是，由于在商用鋰離子電池中使用了易燃的有機電解質，當電池處于高溫，短路，過充電或物理損壞的狀態時，很容易引起火災甚至爆炸。 因此，使用不可燃的無機固體電解質代替液體電解質是解決鋰電池安全性問題的最有效方法之一。 然而，由于鋰離子在負極的沉積過程中自發地形成樹枝狀鋰樹枝狀晶體，因此它們的尖銳結構易于刺穿隔膜，導致電池短路和潛在的安全隱患。 因此，使用無機固體電解質代替液體有機電解質，有效抑制鋰樹枝狀鋰在充放電過程中的生長，可以更好地解決鋰離子電池的安全問題，并正確理解鋰離子在固體中的沉積和傳輸。 固態電池該過程對于抑制鋰樹枝狀晶體的生長并防止電池短路至關重要。
因此，研究人員通過將電解質兩側的金屬鋰電極設計為彼此垂直來設計具有不對稱結構的固體電池（圖1a），并通過觀察鋰的狀態推斷出鋰 沉積在電解質表面上。 電解質內部離子的傳輸過程。 同時，Au原子層被濺射在電解質表面層的中心區域，并且與未濺射的Au原子層的面積相比，Au原子層對鋰沉積的影響規律 獲得離子。 結果表明，電解質表面上的電子分布直接影響電解質中鋰離子的傳輸路徑（圖1b），從而使來自電解質上表面的鋰離子發散地分布在電解質中。 進一步的分析發現，在未濺射的Au濺射區域中，鋰離子沉積在不規則區域（圖1a中藍色框的左側區域）顯示出富集的分布狀態，這會誘導鋰樹枝狀晶體的生長并引起短路。 。 在濺射有Au原子層的區域中，鋰離子沉積呈均勻的球形顆粒分布（圖1a中的紅色框區域和藍色框中的右側區域），有效地抑制了由Al的生長引起的鋰離子。 鋰枝晶電池的潛在安全隱患。 這項工作的發展為優化所有固態電池的接口性能和安全性能提供了理論和實驗基礎。
這項研究工作得到了中國國家自然科學基金和安徽自然科學基金的支持。
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