全固態(tài)鋰電池具備高安全性和高能量密度的特點，有望成為超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術。而電極材料(包括正極和負極)與固態(tài)電解質的界面不穩(wěn)定性阻礙了固態(tài)電池的發(fā)展。因此，探討正極/固態(tài)電解質界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的電池材料失效機制，對于優(yōu)化設計全固態(tài)電池材料具有重要意義。

近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部研究員王春陽，聯(lián)合美國加利福尼亞大學爾灣分校教授忻獲麟團隊，基于前期關于液態(tài)鋰電正極材料失效機制的研究成果，在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展。該團隊利用人工智能輔助的透射電鏡技術揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結構退化機制，并發(fā)現其與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的退化機制具有顯著差別。

研究表明，全固態(tài)電池的晶格失氧和局部應力耦合驅動的表面“晶格碎化”以及脫鋰誘發(fā)的剪切相變共同導致層狀氧化物的結構性能退化。表面“晶格碎化”涉及納米級多晶巖鹽相的形成。這一失效模式在層狀氧化物正極材料中被發(fā)現。此外，該研究還發(fā)現了區(qū)別于傳統(tǒng)鋰離子電池中層狀正極的剪切界面新構型和大尺寸O1相的形成。

上述成果拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，有望為全固態(tài)電池的正極材料和正極/電解質界面優(yōu)化設計提供理論指導。

相關研究成果以Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries為題發(fā)表在《美國化學會志》(JACS)上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c02198

全固態(tài)鋰電池層狀氧化物正極的原子尺度失效機制