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全固态锂离子电池用多相结构铝箔负极技术介绍之二

4、在这里,研究者证明了具有致密铝基负极的SSBss可以在商业相关的面积容量(2-5 mAh cm-2)和箔厚度(30 μm)下表现出稳定的电化学循环,而不会发生预锂化。铝和Al94.5In5.5电极被整合在含有银汞化物电解质(Li6PS5Cl)的全电池固态电池中,电池在25°C下电流密度高达6.5 mA cm-2时表现出数百次稳定循环。尽管在循环过程中体积发生了变化,但Al基电极保持了其机械完整性,没有明显的内部孔隙形成,这与它们在非水电解质溶液中的行为形成了鲜明对比,在非水电解质溶液中,由于内部孔隙表面的SEI过度生长,在~70次循环中会发生失效。~5 at.%的加入铟形成层状多相微观结构改善速率行为,初始库仑效率和获得的容量。这些性能的增强是由于分布的锂化铟相以最小的过电位促进了铝的(去)锂化反应,以及高锂扩散率的锂相减轻了锂的捕获。这些结果表明,铝基负极可以在固态结构中实现,并为提高性能提供微结构设计指南,有可能使高能量密度电池避免与锂金属负极相关的退化挑战。

图 1:SSBss内各种负极的能量指标及负极结构。

 

图 2:具有基于铝的负电极的全稳态电池的电化学行为。

图 3:在各种细胞构型中基于铝的电极的循环,速率行为,阻抗和GITT。

图 4:循环前后的基于铝的负电极的现场表征。

图 5:在SSBss中不同循环的不同阶段,Al94.5In5.5和铝箔的现场低温FIB-SEM测量值。

5、长期以来,人们一直在研究非水电解质电池的合金基负极,但在实际相关的面积容量和电极厚度条件下,合金基负极未能实现稳定循环。我们的研究结果表明,固态结构以及负极的微观结构工程对于实现稳定的全固态二次锂基电池具有明显的好处。研究者发现致密的铝基负极在SSBs内的锂化和衰减过程中保持致密,并避免了在非水电解质溶液中困扰合金的广泛SEI形成,限制了性能。这种行为可能是由于全固体堆引起的机械约束,以及负极和SSE之间相对稳定的平面界面接触(与使用非水电解质溶液的电池中稳步增加的界面面积相反)。通过添加少量合金元素,可以提高SSBs循环性能;5.5% at%铟可增强可逆性并改善速率行为。这是由于分布的高扩散性LiIn相使得锂与铝在较大的界面面积上反应,从而提高了速率行为,同时也最大限度地减少了锂去除过程中的锂捕获。这些发现表明,在全固态锂基电池中使用基于箔合金的金属电极是可能的,从而避免了对浆液涂层的需要,而浆液涂层在电池制造中占据了相对较大的成本和能源需求。此外,基于箔合金的金属电极提供了使用一种结构作为离子存储电极和电流收集器的可能性。未来将努力优化合金成分和微观结构,确定铟以外的其他元素添加的影响,并了解材料的演变,以期进一步提

发布时间:2023/11/12 12:28:21 查看:176次

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