无机固态电解质的原位透射电镜研究

Solid-state electrolyte holds promising for solving the long-lasting safety issues in Li batteries with flammable organic liquid electrolyte and enables new battery chemistries such as Li-air and Li-S. There are still challenges for developing solid state electrolyte, e.g. improving ion conductivity in ambient condition and structural and chemical stabilities. It is crucial to understand fundamental mechanisms governing battery operation and failure process, especially at molecular or atomic level. In situ TEM studies of battery materials, which is enabled by building a “micro-cell” inside the TEM, can reveal unprecedent phenomena at nano or atomic scale during charge/discharge process. Herein, we design specific “micro-cell” focusing on inorganic solid-state electrolyte, to unveil the atomic processes of ion transportation and monitor structural and chemical change at the interface between electrode and electrolyte while cycling the battery. We expect to clarify ion transportation mechanisms and electrochemical reactions at electrode /electrolyte interface, where foundamental mechanisms can provide insights to rational design and overcome obstacles to the successful utilization of solid-state electrolyte.

固态电解质的应用不仅有望解决易燃有机液态电解质带来的电池安全性问题，还对新电化学体系（如锂-空气及锂-硫）的开发具有至关重要的作用。目前，固态电解质的应用仍然面临着较大挑战，例如，提高常温离子导电率以及解决固态电解质的结构与化学稳定性等问题。解决这些问题需要对于决定电池运行和失效过程的原理有原子或分子水平上地深刻理解。对此，以原位透射电镜为代表的先进表征手段通过设计特定的微型电池单元，在充放电反应过程中，可以对电池内各组分在原子尺度上的物理化学变化进行原位观察。本课题将以原位透射电镜为平台，针对无机固态电解质设计特定原位电池单元，利用原子级成像及元素和化学态分析进行原位充放电研究。主要阐明固体电解质内部离子传导机理以及电解质与电极之间的界面反应，找出固态电解质在电池运行及失效机理中的关键过程。研究期以揭示一些固态电解质的基本物理化学机理，为加快固态电解质在电池中的应用提供一些理论依据。

全固态电池是下一代锂离子电池的发展方向之一，也是提高电动车安全性的关键器件。全固态电池中的关键材料是固态电解质，其优异的机械性能和热稳定性可取代目前使用的有机电解液从而防止电池失效而造成的燃烧爆炸事故。但固态电解质的锂离子导电率普遍低于电解液，而且由于其与电极之间的界面浸润性差而导致严重的界面问题，造成电池性能快速降低。因此，厘清固态电解质中的锂离子传输机制以及循环中电极-电解质界面结构-化学变化是全固态锂离子电池应用中的关键科学问题。本项目以无机固态电解质为例，利用先进的（原位）电子显微表征为技术手段，深入研究了以钙钛矿型-锂镧钛氧（LLTO）和石榴石型-锂镧锆氧（LLZO）两类最具代性的无机固态电解质中合成中的相变过程、陶瓷电解质片中的多层级微结构及其对于锂离子传输的影响。揭示了锂枝晶在陶瓷电解质中的生长机制，并以建立锂离子快速传输通道为目标，合成制备了一系列纳米微结构无机-高分子复合电解质材料，取得了较好的全固态电池性能。另外，利用原位锂化实验研究了金属合金化锂化过程与反应机制，以及离子穿梭与LLTO中缺陷相互作用关系。这一些列从材料合成、机理阐释到器件应用的固态电解质研究为全固态锂电池的成熟应用提供了坚实的理论基础和发展方向。