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东京工业大学发现退火可显著降低全固态电池的界面电阻 或将扩大应用

盖世汽车讯 全固态锂电池已成为材料科学与工程的新热潮,而传统锂离子电池已无法满足电动汽车等要求高能量密度、快速充电和长周期寿命的先进技术标准。 全固态电池使用固体电解质代替传统电池中的液体电解质,不仅符合上述标准,而且可在短时间内充电,因此相对更安全、更方便。

然而,固体电解质也存在自身挑战。事实证明,正极和固体电解质之间的界面显示具有很大的电阻,其起源尚不清楚。此外,当电极表面暴露在空气中时,电阻会增加,从而降低电池容量和性能。虽然已经进行了多次尝试来降低电阻,但还没有方法能够将电阻降低到10 Ω cm2,即不暴露于空气时报告的界面电阻值。

据外媒报道,日本东京工业大学(Tokyo Tech)的Taro Hitosugi教授和东京工业大学博士生Shigeru Kobayashi领导的研究小组可能解决了上述电阻问题。通过建立恢复低界面电阻的策略以及揭示降低机制,该团队为制造高性能全固态电池的制造提供宝贵的见解。此项研究是东京工业大学、国立先进工业科学技术研究所(AIST)和山形大学(Yamagata University)联合研究的结果。

(图片来源:东京工业大学)

首先,该团队准备了包含锂负极、LiCoO2正极和Li3PO4固体电解质的薄膜电池。在完成电池制造前,该团队将LiCoO2表面暴露在空气、氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和水蒸气(H2O)中30分钟。

结果发现,与未暴露的电池相比,暴露于N2、O2、CO2和H2的电池性能并没有降低。并不会降低电池性能。Hitosugi教授表示:“只有H2O蒸汽会强烈降解Li3PO4 - LiCoO2界面,并使电阻急剧增加,是未暴露界面的电池电阻值的10倍多。”

之后该团队执行了“退火”工艺。在该过程中,样品在150°C下以电池形式进行了一个小时的热处理,即沉积负极。令人惊讶的是,该过程将电阻降低到10.3 Ω cm2,与未暴露电池的电阻相当!

通过进行数值模拟和尖端测量,该团队随后发现电阻降低是因为退火过程中LiCoO2结构内的质子自发去除。

Hitosugi教授总结道:“我们的研究表明,LiCoO2结构中的质子在恢复过程中发挥着重要作用。我们希望通过阐明这些界面微观过程将有助于扩大全固态电池的应用潜力。”

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