在哈工大青年科學家工作室的支持下，哈爾濱工業大學化工與化學學院王家鈞教授團隊在固態鋰電池研究領域連續取得重要進展。繼全面解析電動汽車三元單晶材料性能衰減機制后(Nature Communications, 2020, 11, 3050)，固態電池的研究成果“洞察固態電池多晶正極中的界面效應和局部鋰離子遷移”（Insights into interfacial effect and local lithium-ion transport inpolycrystalline cathodes of solid-state batteries）也發表在最近的Nature子刊上(Nature Communications，2020，11，5700）。哈爾濱工業大學為第一通訊單位，青年教師婁帥鋒博士為本文第一作者，王家鈞教授為唯一通訊作者。
界面離子傳輸問題通常困擾著固態電池的技術發展，其微結構的復雜性與化學異質性導致人們對固-固界面的電化學行為很難有深入的理解。電極顆粒與固態電解質之間的非共形界面和不完整接觸，導致電池內部的界面離子傳輸動力學緩慢。但是實際上，但由于化學勢的作用，固態電池顆粒內部仍可能表現出均勻的鋰離子傳輸，以實現離子-電子平衡。由正極材料的單顆粒同步輻射成像發現，固態電池和液態電池表現出不同的離子擴散行為。不同于液態電池中正極顆粒呈現由外逐漸向內的“核殼”的擴散行為，固態電池的內部離子擴散顯示出明顯的各向異性。
同時，該論文通過同步輻射成像技術證明固態電池的固-固離子遷移動力學不僅受到物理界面接觸的影響，而且還與多晶顆粒內部的局域環境密切相關。一旦二次粒子的內部局域環境在循環中被破壞，就會觸發電荷從均質到異質的分布，并導致固態電池的快速容量衰減。該工作強調了多晶顆粒內部局域環境對于固態電池中電化學反應的重要性，并為固固界面離子傳輸的潛在機理提供了見解。
圖1 固態電池的性能衰退及循環后的電極顆粒的結構與荷電態變化
圖2 固態電池中循環后的顆粒內部微裂紋的斷層成像分析
王家鈞教授團隊近年來還先后在Cell姊妹刊Chem，Angew. Chem. 和Advanced Materials，Materials Today等學科頂級期刊發表論文，闡述了固態電池中的界面科學問題，反應機制及改性策略，對于固態電池的設計和性能提升具有重要的指導意義。這項研究工作得到了國家自然科學基金重點基金（U1932205），黑龍江省自然科學基金重點基金（ZD2019B001）和青年基金(21905071)的資助。
（中國粉體網編輯整理/星屑）
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