​西安交大/西南交大JEC：氧化物固态电解质和高容量正极全固态锂金属电池的可行性

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​西安交大/西南交大JEC：氧化物固态电解质和高容量正极全固态锂金属电池的可行性
与有机聚合物基固态电解质的成功应用相比，无机陶瓷SE，如石榴石型、NASICON型、钙钛矿、卤化物等，由于其具有较高的氧化电位、较高的离子电导率、不可燃性和较强的机械性能，为高容量、高性能耦合提供了可行性，近年来引起了人们的广泛关注。然而，正极颗粒与无机电解质颗粒之间的接触不良，使得锂离子在正极与无机固态电解质之间的传质非常困难，严重的阻碍了全固态电池的实际应用。
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在此，西安交通大学刘洋洋、徐谢宇和西南交通大学焦星星等人认为500 ℃ 的共烧结温度可以制造出结构完整且容量衰减较小的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM)复合正极。此外，在 LLZO 烧结温度不足的情况下，其会在多晶 LLZO 内部形成较弱的晶界 (GB)，这会使得锂丝在 SE 界面生长的过程中诱发 SE 的晶间失效。
因此，提高 GB 强度，将晶粒细化至 0.4 μm，并消除界面缺陷，以推迟弱 GB SE 的电化学机械失效。同时，还可以采用先进的烧结技术来降低 NCM-LLZO 复合正极和 LLZO SE 的共烧结温度，从而实现具有更高能量密度和更高安全性的先进 ASLMB。
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图1. 共烧结后 NCM-LLZO 复合正极内部的残余应力
总之，该工作通过热-机械和电化学-机械模型，评估了ASLMBs与LLZO SE和大容量正极NCM耦合的可行性，以实现更高的能量密度，并保证安全问题。在共烧制备NCM- LLZO复合正极的过程中，NCM二次粒子仍存在热应力，在较高的共烧温度下对二次粒子的均匀性进行了破坏。因此，为了保持NCM-LLZO复合正极的结构完整性，减弱副反应导致的容量衰退，建议将温度控制在500℃左右。
该工作通过多物理场模拟应力场和损伤的产生，揭示了复合全固态正极（NCM-LLZO）共烧结过程中内部的热-力学过程，以及在锂金属生长过程中LLZO电解质的晶界在欠温烧结时受到的电化学-力学失效，这为全固态电池的可行性以及影响因素奠定了理论基础，为开发下一代更高能量密度的固态锂金属电池提供了方向。
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图2. 晶粒大小对 SE 失效的影响
Viability of all-solid-state lithium metal battery coupled with oxide solid-state electrolyte and high-capacity cathode, Journal of Energy Chemistry 2023 DOI: 10.1016/j.jechem.2023.12.003

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