全固态锂金属电池界面优化的同步辐射光谱学研究

Driven by an increasing demand on storage devices with higher energy outputs and better safety, solid-state lithium metal batteries have shown their potential to replace the traditional liquid-based Li-ion batteries and power the future storage market. However, the large interfacial resistance originated from the insufficient solid-solid contact and the penetration of the lithium dendrite due to the inhomogeneous dissolution and deposition of lithium that hinder the development of all-solid-state batteries. In this proposal, we propose to reduce interfacial resistance and prevent lithium dendrites growth at Li metal interface coinstantaneously through an in-situ formation of interlayer enabled by conversion reaction of MoS2 or SnO2 layers coated on bare garnet electrolyte pellet. Meanwhile, we propose a unique strategy of lowering the interfacial resistance between cathode and garnet electrolyte by using carbon coated LiFePO4 as cathode material. The nano-scale carbon layers could improve electrical conductivity of cathode, clean the surface of garnet electrolyte at high temperature, and completely separate cathode and electrolyte. The interfacial structure and reaction mechanism will be investigated by synchrotron X-ray spectroscopy, which can provide new scientific evidences to improve the all-solid lithium metal battery performance. Furthermore, this project will promote the experimental capability of the related beamlines for the in-situ characterization of electronic structure, and provide novel methodology and platform for the all-solid battery research.

随着对能源存储设备输出和安全性能需求的不断提升，固态锂金属电池展示了替代传统液态锂离子电池占据新能源市场的潜力。但是，固-固界面不良接触导致的巨大界面电阻以及由于锂的不均匀沉积和分解所导致的锂枝晶生长严重阻碍了全固态电池的发展。本申请在锂金属界面拟采用将MoS2或者SnO2涂敷到石榴石型固态电解质片表面的方法，通过原位转化反应构建缓冲层，降低界面电阻并抑制锂枝晶的生长。同时，我们计划采用碳包覆的LiFePO4作为正极材料，通过一种独特的界面反应降低与固态电解质的界面电阻。纳米级别的碳包覆层将会提升电极材料的导电性、高温下清理固态电解质表面并能完全分离电极电解质材料。我们将利用同步辐射X射线谱学技术深入研究界面结构和反应机理，为进一步提高全固态锂金属电池性能提供新的科学依据。此外，通过项目的实施，还将提高相关实验线站的原位电子结构实验能力，为我国全固态电池领域提供新的表征手段和研究平台。

随着对能源存储设备输出和安全性能需求的不断提升，固态锂金属电池展示了替代传统液态锂离子电池占据新能源市场的潜力。但是，固-固界面不良接触导致的巨大界面电阻以及由于锂的不均匀沉积和分解所导致的锂枝晶生长严重阻碍了全固态电池的发展。此外，对于表面和界面反应，目前的研究手段和表征方法还严重欠缺，急需新同步辐射方法的开拓助力全固态电池的研究。.针对上诉问题，本项目在上海光源02B实验站完善了一系列用于先进电池材料的软X射线谱学表征手段，包括构建光电子能谱（XPS）、俄歇电子吸收谱（AEY）、全电子产额吸收谱（TEY）、全荧光产额吸收谱（TFY）和部分荧光产额吸收谱（PFY）相结合的原位深度剖析技术，并将其与近常压技术和原位质谱技术联动。还针对电池材料的空气敏感特性，开发了原位惰性气氛进样技术，大大提升了对能源材料的表征能力和准确性，发表相关SCI论文1篇，1项专利正在申请。新同步辐射方法的开发大大助力了国内能源材料的研究，用户依托实验平台近3年发表文章100余篇，近8成为一区文章。.根据项目书计划，我们利用SnS2缓冲层对锂镧锆氧（LLZO）固态电解质表面进行了修饰，大大降低了Li/LLZO的界面电阻并提高了临界电流密度，同时发现SnS2还可以作为固态电池中优良的电极材料。我们的结果加深了对SnS2涂层界面反应机理的理解并为设计优异的Li/LLZO界面和组装新型全固态电池提供了新的思路，结果发表1篇SCI论文。.根据项目书计划，我们制备了性能优良的复合固态电解质膜，并利用其浆料包覆LiFePO4作为正极，改善了正极\电解质界面，得到了室温下性能优良的全固态电池。我们的工作可能会指导未来固态电解质膜的改进以及柔性全固态锂金属电池的探索，推动全固态电池的产业化发展，结果发表1篇SCI论文。.此外，依托本项目开发的实验方法还被推广到固态电解质、空气电池和超晶格等材料的研究中，从电子结构角度深入揭示了材料的构效关系，为理解材料的退化机制，催化机理等提供了强有力的支持，相关成果发表3篇SCI论文。