全固态锂二次电池电极/电解质界面改性研究

研究并理解锂电池工作过程各种界面的作用机制，提炼改进性能的思路是新一代高性能电池的必行之路。全固态锂电池应用的关键问题是电池高倍率容量亟待提高，原因是电池正极/电解质界面电阻太大。本项目以动力电池为应用背景，选择具有价格、环保和性能优势的LiNi0.8Co0.2O2基材料为研究对象，采用纳米技术修饰方法，在正极表面引入纳米厚度修饰层改性正极/电解质界面，通过系统实验，严格筛选界面兼容性好的修饰介质，明确修饰介质种类、实现方法与界面修饰效果之间的关系，达到优化正极/固体电解质界面易实现化、可重复化的目的，降低界面电阻以提高固态电池的高倍率容量。并进行电池容量随界面层各参数变化规律的系统研究。本项目的实施，有望揭示全固体电池正极/电解质界面改性机制，获得可延伸性应用的界面改性信息，为其它材料体系甚至器件中跟界面改性相关科学问题提供理论依据和实现途径，推动锂二次电池相关器件与大规模应用的发展。

本项目的执行根据前期的研究计划得到了圆满地完成，并取得了一系列不错的研究成果。首先，制备了高锂离子电导率固体电解质材料Li-Ge-P-S陶瓷和 Li2S-P2S5玻璃陶瓷，并制备了Li3PO4，P2O5，GeS2掺杂改性70Li2S-30P2S5的玻璃陶瓷，最优室温锂离子电导率接近10-2 S•cm-1数量级范围，达到国内领先水平，并总结了固体电解质的离子电导率对固态电池能量密度的影响规律。其次，采用原位自组装方法对LiNi0.8Co0.2O2基正极进行了表面改性，显著降低了界面阻抗，有效调控了正极/thio-LISICON界面。另外，对LiCoO2正极材料采用LiNbO3表面包覆，展现了包覆材料与本体材料LiCoO2 在热处理过程中的界面稳定性以及包覆材料在LiCoO2正极材料表面存在形态，揭示了LiNbO3包覆正极材料LiCoO2的反应过程及电化学性能提高的机理。并通过不断探索改进材料合成工艺，结合共沉淀和固相焙烧技术，制备了一种高镍正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA)。将其应用于全固态锂电池中，NCA正极材料在0.2 C下，放电比容量达120 mAh•g-1。通过正极材料与固体电解质材料界面的修饰与调控，对改善全固态锂二次电池的电化学性能将有至关重要的作用，对发展具有实用意义的高安全性全固态锂电池技术具有重要的科学意义。同时，制备了Pt/LixCoO2/Pt三明治结构薄膜器件，并采用导电原子力显微镜（C-AFM）原位表征技术研究锂电池用纳米结构电极材料充放电过程中，揭示了锂离子传输行为(迁移路径与迁移动力学)，为通过电极材料的改性提高锂离子电池性能提供可靠的科学依据，并进一步丰富了锂电池在充放电过程中锂离子迁移动力学过程的原位表征方法。通过本项目的研究，初步揭示了全固体电池正极/电解质界面改性机制，获得了可延伸性应用的界面改性信息，为其它材料体系甚至器件中跟界面改性相关科学问题提供理论依据和实现途径，有利于推动锂二次电池相关器件的大规模应用发展。 项目共发表高水平论文13篇，申请发明专利10项，形成了较好的研究基础，为进一步申请 “十二五”国家科技计划（863）先进能源技术领域储能技术方向，中国科学院先导专项（A类）奠定了坚实的基础。