鋰合金金屬負極具有較高的理論電荷存儲容量，是開發(fā)高能可充電電池的理想選擇。然而，這種電極材料在使用標準非水液體電解質溶液的鋰離子電池中表現(xiàn)出有限的可逆性。為了避免這個問題，研究人員報告了在全固態(tài)鋰離子電池配置中使用非預鋰化鋁箔基負極的工程微結構。當30 μm厚的Al94.5In5.5負極與Li6PS5Cl固態(tài)電解質和LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2基正極相結合時，實驗室規(guī)模的電池在高電流密度(6.5 mA cm−2)下提供數(shù)百次穩(wěn)定循環(huán)，具有實際相關的面積容量。研究人員還證明，由于鋁基體內分布的LiIn網絡，多相Al-In微觀結構可以改善速率行為和增強可逆性。這些結果表明，在簡化制造工藝的同時，通過負極的冶金設計改進全固態(tài)電池的可能性。相關研究內容以“Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
與鋰離子電池相比，固態(tài)電池提供了完全不同的化學機械環(huán)境。例如，固態(tài)電解質（SSE）不會流動以潤濕體積變化的負極顆粒的表面，這可以穩(wěn)定SEI的形成。具有硅基負電極的SSB與使用非水電解質溶液的電池相比表現(xiàn)出改善的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，具有各種合金基負極（硅和鋁）的SSB可以實現(xiàn)高能量密度和比能，甚至接近具有過量鋰的鋰金屬SSB。然而，最近的合金負極 SSB 演示使用了鑄造顆粒或復合電極，其概念上與傳統(tǒng)鋰離子電池電極相似。考慮到 SSB 不同的化學機械環(huán)境，其他電極概念對于長期耐用性可能是可行的，包括開發(fā)致密箔電極。與鋰金屬物理合金化的厚（>100 μm）銦箔或鋁箔已被用作 SSB 負極，以充當鋰匯，但這些厚箔具有大量多余的材料，導致能量密度低，這對于實際應用來說是不現(xiàn)實的。此外，避免使用鋰金屬進行預鋰化有利于規(guī)模化電池生產。
圖文導讀
SSB 內各種負極的能量指標和負極結構。
采用鋁基負極的全固態(tài)電池的電化學行為。
各種電池配置中鋁基電極的循環(huán)、倍率行為、阻抗和 GITT。
循環(huán)前后鋁基負極的非原位 XRD 表征。
Al 94.5 In 5.5和鋁箔在 SSB 循環(huán)不同階段的異位低溫 FIB-SEM 測量。
總結
長期以來，人們一直在尋求將合金基負極用于非水電解質溶液的電池，但在實際相關的面積容量和電極厚度條件下尚未實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。該研究結果表明，固態(tài)結構以及負極的微結構工程對于實現(xiàn)穩(wěn)定的全固態(tài)二次鋰基電池具有明顯的優(yōu)勢。
研究人員發(fā)現(xiàn)，致密的鋁基負極在 SSB 內的鋰化和脫鋰過程中保持緊湊，并避免了廣泛的 SEI 形成，這種現(xiàn)象困擾著非水電解質溶液電池中的合金，從而限制了性能。這種行為可能是由于全固體堆棧引起的機械限制，以及負極和 SSE 之間相對穩(wěn)定且平坦的界面接觸（與使用非水電解質溶液的電池中穩(wěn)定增加的界面面積相反）。通過添加微量合金元素可以提高SSB循環(huán)性能；5.5 at% 的銦可增強可逆性并改善倍率行為。這是由于分布的高擴散率 LiIn 相使得鋰與鋁能夠在大的界面面積上發(fā)生反應，從而增強倍率行為，同時還最大限度地減少脫鋰過程中的鋰捕獲。
這些發(fā)現(xiàn)表明，可以將箔合金基金屬電極用于全固態(tài)鋰基電池，從而避免漿料涂覆的需要。此外，箔合金基金屬電極提供了使用一種結構作為離子存儲電極和集電器的可能性。未來優(yōu)化合金成分和微觀結構、確定除銦以外的其他元素添加的影響以及了解材料演變的努力預計將能夠進一步提高性能。
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