【新聞中心訊】燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃建宇教授團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)了一種結(jié)合cryo-FIB（低溫聚焦離子束）和cryo-TEM（低溫透射電子顯微鏡技術(shù)），用于研究全固態(tài)電池中的電極/硫化物電解質(zhì)界面，并在原子尺度上表征了微米硅（μ-Si）負(fù)極/硫化物電解質(zhì)界面，提供了從微米到原子尺度對(duì)全固態(tài)電池界面的全面理解。該研究表明，界面阻抗并非是導(dǎo)致全固態(tài)電池失效的根源，持續(xù)的界面反應(yīng)才是罪魁禍?zhǔn)?，界面反?yīng)消耗了來自正極的活性鋰源并導(dǎo)致持續(xù)的容量衰減。該研究通過cryo-TEM提供了對(duì)微米硅負(fù)極和硫化物固態(tài)電解質(zhì)基全固態(tài)電池中復(fù)雜界面的原子尺度理解，為開發(fā)高性能全固態(tài)電池提供了重要的科學(xué)依據(jù)。研究成果以“利用低溫電子顯微鏡揭示硅基全固態(tài)電池的界面失效機(jī)制”（Revealing interfacial failure mechanism of silicon based all solid state batteries via cryogenic electron microscopy）為題，發(fā)表于期刊《Nature Communucations》。

鋰（Li）和硅（Si）都是具有高比容量的、有前景的負(fù)極候選材料，理解其與硫化物固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性，對(duì)于開發(fā)高能量密度全固態(tài)電池至關(guān)重要。然而硅負(fù)極在鋰化過程中發(fā)生的體積膨脹，有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)與硅負(fù)極之間持續(xù)增長(zhǎng)的固體電解質(zhì)界面膜，阻礙了硅負(fù)極在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池中的商業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，以往的研究更多以傳統(tǒng)表征方法探究Li/硫化物固態(tài)電解質(zhì)界面失效，對(duì)硅基全固態(tài)電池的界面失效機(jī)制缺乏系統(tǒng)性研究。此外，硫化物和鹵化物固態(tài)電解質(zhì)的空氣敏感性，以及界面制備和表征過程中電子束/離子束的輻照損傷，硫化物或鹵化物基全固態(tài)電池中電極/固態(tài)電解質(zhì)界面的原子尺度成像，都非常具有挑戰(zhàn)性。

低溫電鏡揭示全固態(tài)電池Si|SSE|NMC81的界面反應(yīng)機(jī)理

（以上照片由科學(xué)技術(shù)研究院及亞穩(wěn)材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供）

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地應(yīng)用Cryo FIB-TEM（低溫聚焦離子束-透射電子顯微鏡）技術(shù)，首次在原子尺度上揭示了兩種截然不同的界面反應(yīng)機(jī)制。Si/LGPS界面會(huì)形成一層厚達(dá)10-20 μm、充滿裂紋的混合離子電子導(dǎo)體層，其包含針狀Li?S晶體、電子導(dǎo)通的Li-Ge及Li?P納米晶，其中大尺寸的Li₂S來自于其與Li-Ge之間的半共格關(guān)系。相反，Si/LSPSC界面則生成一層僅100-200 nm厚、均勻致密的純離子導(dǎo)體層，由Li?S納米晶均勻彌散分布于非晶基質(zhì)中構(gòu)成。盡管界面層成分均為L(zhǎng)i₂S，但由于納米化的Li-Ge與Li₃P的鑲嵌，Si/LGPS界面層電子電導(dǎo)率為1.17×10^-5mS/cm，是Si/LSPSC界面層的電子電導(dǎo)率上百倍，這也是導(dǎo)致前者持續(xù)的副反應(yīng)和活性鋰不可逆消耗的根本原因。本研究的關(guān)鍵在于顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，證實(shí)硅與硫化物電解質(zhì)化學(xué)相容性良好，電池失效的主因并非界面阻抗過高，而是由界面反應(yīng)產(chǎn)物的導(dǎo)電性質(zhì)所決定的持續(xù)活性鋰損失機(jī)制。

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。燕山大學(xué)黃建宇教授和唐永福教授為本文通訊作者，燕山大學(xué)博士生姚景明和于智璇為本文第一作者。（編輯 王艷）