商用鋰離子電池由于采用含有易燃有機溶劑的電解液，存在安全隱患。發(fā)展用固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池是提升電池安全性的可行技術(shù)途徑。石榴石型固態(tài)電解質(zhì)因高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口和對鋰穩(wěn)定而成為目前研究中的熱點材料之一。但是在某一的電流密度下，鋰枝晶會貫穿固態(tài)電解質(zhì)，造成電池短路，該電流密度被稱之為臨界電流密度。低臨界電流密度嚴重制約了該類固態(tài)電解質(zhì)的實際應(yīng)用。北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒課題組在之前的工作中通過軟接觸(Adv.EnergyMater.2017,7,1701437)以及納米潤濕效應(yīng)(Adv.Mater,2017,1704436)等概念，創(chuàng)造了較為穩(wěn)定的電解質(zhì)與金屬鋰的界面，從而抑制鋰枝晶的生長。

近日，北京大學(xué)新材料學(xué)院潘鋒團隊在國際著名期刊發(fā)表題為RevealingtheShort-CircuitingMechanismofGarnet-BasedSolid-StateElectrolyte（AdvancedEnergyMaterials,IF=21.875,2019,9,1900671）封面文章，系統(tǒng)研究了石榴石類固態(tài)電解質(zhì)臨界電流密度關(guān)鍵因素及該臨界條件下發(fā)生短路的微觀機制。

研究團隊發(fā)現(xiàn)石榴石型Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12(LLCZN)中鋰枝晶的生長蔓延進而造成短路的現(xiàn)象源于流經(jīng)LLCZN的電子對Li+離子的還原作用。發(fā)生短路的電流密度之所以存在臨界的現(xiàn)象而不是一種簡單的電流密度對時間的累計效應(yīng)，則是源于LLCZN電子電導(dǎo)的非線性伏安特性曲線。在較低電壓下，LLCZN電子電導(dǎo)率很低，少量的電子供應(yīng)難以誘導(dǎo)產(chǎn)生鋰枝晶。當(dāng)外加電壓大于某一閾值后，電子電導(dǎo)率急劇增大，大量供應(yīng)的電子迅速還原鋰離子，形成鋰枝晶，進而造成短路。通過在LLCZN顆粒表面包覆一層LiAlO2(LAO)，電解質(zhì)的電子電導(dǎo)率大大降低，從而能夠較大地提升固態(tài)電解質(zhì)的臨界電流密度。

相對于傳統(tǒng)的鋰枝晶刺穿機理，研究團隊提出了新的石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的短路機理：在沒有界面修飾的情況下，鋰離子會與電子在晶界表面結(jié)合，形成金屬鋰，隨著電流增大，形成的速率可能會在某一個拐點迅速變大，從而導(dǎo)致電解質(zhì)瞬間短路；而通過界面修飾，抑制了電子在晶界表面的傳輸，從而大大降低了金屬鋰的形成。該工作為今后設(shè)計具有高臨界電流的固態(tài)電解質(zhì)提供了新的思路。

該研究工作第一作者是宋永利博士和楊盧奕博士，通訊作者是潘鋒教授。該系列工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。