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三星研究院在高性能长寿命全固态电池领域取得重大突破

作者:中国储能网新闻中心 来源:先进能源科技战略情报研究中心 发布时间:2020-06-04 浏览:
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以金属锂作负极的全固态锂金属电池在理论能量密度和安全性上都远优于传统锂离子电池。然而,锂负极不受控的枝晶生长以及低库伦效率严重制约了锂负极全固态锂金属电池的实用化发展。因此开发高性能负极材料成为了全固态电池研究领域热点。

三星高等研究院In Taek Han研究员带领的研究团队联合日本三星研究院设计开发了一种独特的银-碳(Ag-C)复合负极,替代锂(Li)金属负极,结合硫银锗矿(Argyrodite)型固态电解质制备了软包的全固态电池,获得了高达942 Wh/kg能量密度,且能够保持稳定循环超过1000余次,在电动汽车等高比能储能应用领域具备广阔应用前景。相关研究已经表明,相比传统石榴石型固态电解质,Argyrodite型固态电解质具备更加优异的离子导电性、柔软特质、机械性能。因此研究人员通过机械加压方法制备了Argyrodite型固态电解质(Li6PS5Cl),导电率测试显示,其室温离子导电率超过1 mS/cm,表现出优异的离子导电性。随后利用湿化学法在不锈钢集流体上制备了Ag-C复合负极并对其对金属Li的沉积-剥离过程影响进行了研究,充电后扫描电镜测试发现,在无Ag-C复合电极的不锈钢集流体上明显观察到了Li不均匀沉积和枝晶形成,相反在含有Ag-C电极不锈钢集流体上则观察到了Li的均匀沉积,主要原因是Ag改善了导电性降低了Li成核能垒促进了Li的均匀成核。放电后,含有Ag-C电极不锈钢集流体锂沉积全部分解,这表明了Ag-C电极有效调节金属锂的沉积-剥离过程,避免枝晶形成,有助于电池寿命的延长。接着以Argyrodite型固态电解质作为电解质,以比容量超过210 mAh/g、面积容量高于6.8 mAh/cm2的高镍层状过渡金属氧化物(LiN0.9Co0.05Mn0.05O2,NCM955)作为正极、Ag-C复合材料作为负极组装成双层堆叠式软包电池,并利用等温静压技术来改善固态电解质与正负极之间的界面接触。此外,为了避免正极材料在高压下的界面副反应,研究人员在NCM955正极表面包覆了一层厚度为5 nm的氧化锂-氧化锆(Li2O-ZrO2)复合物涂层。在0.5C电流密度下进行充放电循环测试,结果显示电池放电比容量高达5870 mAh,能量密度942 Wh/kg,平均库伦效率高达99.8%,且能够保持稳定循环超过1000次,表现了优异的电化学稳定性。研究人员还测试各种不同高温下电池稳定性,结果显示电池表现出良好耐高温特性,且该电池体积仅为同样容量传统锂离子电池一半。

图1基于独特银-碳复合负极的全固态电池

该项研究精心设计和制备了独特银-碳复合负极,替代锂金属负极,结合硫银锗矿型固态电解质制备了全固态电池,获得了高达942 Wh/kg能量密度和99.8%平均库伦效率;此外银-碳电极有效调节金属锂的沉积-剥离过程,避免枝晶形成,显著提升了电池寿命,稳定循环超过1000余次,推动固态电池技术向商业化迈出关键一步。相关研究成果发表在《Nature Energy》[1]。

[1] Yong-Gun Lee, Satoshi Fujiki, Changhoon Jung, et al. High-energylong-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carboncomposite anodes, Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0575-z

关键字:固态电池

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