氧化物固态电解质与金属锂负极界面设计与调控研究

In the interface between solid electrolyte and lithium anode, there mainly exist non-wetting, too large interface resistance, the "cavity effect" of interface contact during charging and discharging process, and the crack propagation and short circuit induced by the non-uniform deposition of lithium metal, etc. It has become a big obstacle to the application of all-solid-state battery technology. From the view of these main factors affecting the interface of the solid electrolyte - lithium anode, this project intends to study the effects and mechanisms of the density and surface roughness of oxide ceramic electrolyte sheet, and interfacial layer between electrolyte and lithium anode on interfacial properties; and to present a concept of elastic current collector on lithium anode side, which can effectively deal with the expansion and contraction of electrode materials through self-adapting deformation during charging and discharging, and increase the effective contact area between lithium metal and electrolyte, therefore improve the stability of the interface and lower interface resistance. Aiming at the most urgent solid-solid interface contact problem of lithium metal solid state battery, this project intends to construct an interface with low interface resistance, good cycle stability and high limiting current density through the structure design and performance optimization of solid electrolyte-lithium anode interface, and provides a basis for the development of the next generation of solid-state lithium metal batteries with high energy density.

固态电解质和金属锂负极之间的界面主要存在不浸润、界面电阻过大、界面接触在充放电过程中的“空洞效应”以及锂金属不均匀沉积诱导的裂纹扩展和短路等问题，成为全固态电池技术实用化的主要障碍之一。本项目拟从影响固态电解质-锂负极界面的主要影响因素出发，综合研究氧化物陶瓷电解质片的致密度、表面粗糙度、以及电解质-锂负极之间的界面层等因素对界面性能的影响规律和作用机理；并提出在锂金属负极一侧使用复合弹性集流体的概念，弹性集流体在电池充放电循环过程中能够有效地应对电极材料的膨胀和收缩，发生自适应变形，提高锂金属与电解质界面的有效接触面积，从而改善界面稳定性，降低界面电阻。本项目瞄准当前金属锂固态电池最迫切的固固界面接触问题，通过对固态电解质-锂负极界面进行结构设计和性能优化，构建一个界面电阻小、循环稳定性好、极限电流密度大的固态电解质-金属锂界面，为下一代高能量密度固态锂金属电池的发展提供研究依据

在自然科学基金的资助下，本项目按计划全面地开展了研究工作，从氧化物固态电解质体相和表面、氧化物-聚合物固态电解质的制备和界面调控、固态电解质和金属锂的界面、以及集流体的结构设计等方面进行了界面的结构设计、调控和电化学性能优化，获得了界面电阻小、循环稳定性好、极限电流密度大的固态电解质-金属锂界面，并揭示了相应的电化学机理，取得了一系列有创新性的研究成果，为未来新型锂离子电池在大功率放电、能量密度以及整体安全性等方面的重大突破提供了研究基础。. 项目全面圆满地完成了本项目的研究目标，除了按照项目任务书中计划开展的研究内容以外，还拓展了一些新的研究方向内容，如新型固态电解质的制备和性能、固态电解质对锂电池隔膜的改性、以及无溶剂改性复合工艺制备有机-无机复合电解质的研究等内容。在项目执行过程中，总共发表了34篇学术论文，其中被SCI收录32篇，包括国际本领域顶级期刊Mater. Today、Nature Commun.、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources、ACS Applied Energy Mater.等；获得了4项授权的中国发明专利和1项美国发明专利；共培养博士后1名，毕业博士生6名；此外还有在读的博士研究生7名。. 本项目研究的高性能氧化物固态电解质、有机-无机复合固态电解质的制备技术、可自适应变形的弹性/柔性集流体的制备技术等成果已经达到了实验室成熟的水平，在下一代高性能固态锂金属电池方面具有重要的应用前景。