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約翰霍普金斯大學(xué)JMCA：全固態(tài)電池雙層正極涂層的計(jì)算設(shè)計(jì)

硫代磷酸鋰因其高離子電導(dǎo)率和室溫可加工性可用于全固態(tài)鋰離子電池。然而，由于硫代磷酸鹽電解質(zhì)和氧化物電極之間的界面反應(yīng)，電池倍率性能仍然受到阻抗增加的影響。最近，使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）來(lái)加速可充電電池的發(fā)展開(kāi)始受到關(guān)注。

在此，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Tim Mueller等人提出了一種雙層涂層設(shè)計(jì)，包括與硫代磷酸鹽電解質(zhì)相鄰的硫化物基涂層，以及對(duì)NCM正極穩(wěn)定的涂層。為了保持ML潛力的準(zhǔn)確性并最大限度地降低生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的成本，作者采用分子動(dòng)力學(xué)模擬與動(dòng)態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí) (LOTF-MD) 相結(jié)合的方法，基于高通量熱力學(xué)穩(wěn)定性篩選和LOTF-MD，作者確定了幾種硫化物+鹵化物對(duì)，它們?cè)诮缑娣€(wěn)定性和離子電導(dǎo)率方面可能優(yōu)于已知的涂層材料。

圖1. 高通量篩選含鋰化合物以確定候選涂層的工作流程

作者建議采用由硫化物+鹵化物涂層、硫代磷酸鹽電解質(zhì)和NCM正極組成的半電池結(jié)構(gòu)，其通過(guò)所有組件的擴(kuò)散總活化能小于0.5 eV，所有界面處每個(gè)原子的化學(xué)反應(yīng)性不小于-30 meV。這種電池設(shè)計(jì)可以保持最先進(jìn)的電解質(zhì)和正極的高倍率能力和容量，同時(shí)防止界面降解。

此外，隨著幾種與硫代磷酸鹽電解質(zhì)相媲美的優(yōu)異離子導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基于硫化物或鹵化物的超離子導(dǎo)體代替硫代磷酸鹽電解質(zhì)可以簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)。

圖2. ?LOTF-MD計(jì)算候選圖層的擴(kuò)散系數(shù)

圖3. 兩類候選涂層材料關(guān)于磷氧化的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口

Computational design of double-layer cathode coatings in all-solid-state batteries, Journal of Materials Chemistry A 2021. DOI: 10.1039/D1TA04987A

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