金属锂|固态电解质界面的反应与动力学

Understanding the Li|solid-state electrolyte interface is a common challenge for future energy storage technologies such as Li-S, Li-O2 and all-solid-state batteries. The homogeneity of Li stripping/plating, the chemical stability, the impedance distribution, and the mechanical stability of this interface will decide the electrochemical performance of the battery. The current proposal aims at analyzing the microscopic mechanism of the interfacial Li stripping/plating reactions and their kinetics by using a series of characterization techniques such as in-situ scanning impedance spectroscopy, in-operando SKPM, scanning IR spectroscopy, in-situ differential electrochemical mass spectroscopy etc. The outcome of these tasks will provide crucial information to understand the interfacial problems in multiple length-scales and thus greatly help to improve the performance of next-generation electrochemical energy storage technologies.

金属锂|固态电解质界面问题是未来金属锂二次电池的共性科学问题。金属锂|固态电解质界面的锂电解/沉积均匀性，化学稳定性，阻抗分布，界面机械结合稳定性等，会极大地影响金属锂负极的电化学可逆性和动力学，进而决定整个电池体系的电化学性能。本项目将发展一系列原位电化学表征手段，如原位扫描阻抗谱、扫描开尔文探针、近场红外、微分电化学质谱等技术，深入解析金属锂|固态电解质界面电解/沉积反应的机理和主要影响因素，以获得稳定的，电化学可逆的金属锂负极，进而得到高性能高安全的全固态锂二次电池。该研究旨在从原子、离子尺度，纳米尺度到微米以及宏观多个尺度理解该重要界面的微观反应机制及其动力学，对发展未来“超越锂离子”的下一代电化学储能技术如锂硫、锂氧、以及全固态电池， 提升我国锂电基础研究水平具有重要意义。

先进便携式电子设备和电动交通工具的发展对长续航储能电池有着迫切的需求。金属锂由于具有极高的比容量和最低的工作电位，被认为是下一代高比能量密度锂电池的“终极负极材料”。而无论是在液态电解质还是固态电解质的金属锂电池中，金属锂|固态电解质界面反应及其动力学都是下一代二次锂电池技术最为关键的、共性的科学问题，但是目前相关的基础研究鲜有报道，尤其是对界面上的锂电解/沉积过程及其影响因素及其对界面的稳定性影响缺乏深刻的认识。本项目围绕固态电解质材料，锂负极材料，金属锂|固态电解质固固界面锂的溶出/沉积反应动力学过程，以及电极|电解质界面构筑和全固态电池设计等几方面开展研究，取得了以下成果：1）创制了一系列综合性能居于世界前列的可溶性电极电解质和有机/无机复合固态电解质膜，为构建稳定的金属锂|固态电解质界面提供材料基础。2）研制出适合匀浆涂布且循环稳定的锂负极，可以有效提高金属锂|固态电解质界面的机械接触，并降低界面的电化学反应电流密度，提高固态电池的循环稳定性；3）在模型电池上探索金属锂电极的反应动力学，实现了对锂沉积过程的观察，对于认识Li原子在金属中的扩散，设计高性能固态锂金属电池具有重要的意义；4）成功制备了适合固固界面原位观察的样品，实现了静态电池界面形貌和电势分布的观察，对理解固态电池的失效机制优化固态电池的设计具有重要的参考意义；5）探索了多种界面改性方法，获得了性能良好可以室温工作的固态锂-硫电池以及软包全固态锂电池。在项目的支持下，项目团队发表高水平研究论文71篇，申请发明专利13项，授权10项；培养博士生11名，硕士生4名；并受邀为国际顶级期刊Joule撰写金属锂|固态电解质界面研究相关的展望，受到领域研究人员的广泛关注。此外，项目团队翻译了Peter G. Bruce教授编著的“Solid state electrochemistry”经典固体电化学参考书，为我国固态电池和固体离子学领域的研究和技术人员提供重要参考。