近年來，無機(jī)全固態(tài)鋰離子電池（ASSLIB）因其固有的安全性和不斷提高的離子導(dǎo)電性和界面穩(wěn)定性而迅速發(fā)展。例如，基于硫化物的固態(tài)電解質(zhì)（SSE）的高離子導(dǎo)電性甚至超過了常規(guī)液體電解質(zhì)?；邴u化物的SSE，如Li3InCl6（LIC）和Li2.633Er0.633Zr0.367Cl6，即使沒有保護(hù)涂層，也具有寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口和穩(wěn)定的陰極界面。因此，在最近的文獻(xiàn)中，無機(jī)ASSLIB的循環(huán)穩(wěn)定性得到了顯著改善。超過850個(gè)周期的長期循環(huán)性能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，容量保留率為91.5%（下圖）。
然而，無機(jī)ASSLIB的倍率能力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在電動(dòng)汽車中實(shí)際應(yīng)用的要求。來自美國高級電池聯(lián)盟（USABC）報(bào)告稱，快充被定義為在為4C時(shí)保持40%的容量。不幸的是，最先進(jìn)的無機(jī)ASSLIB只能在非常低的電流密度下運(yùn)行，例如0.1C和0.2C。
快充無機(jī)ASSLIB的主要挑戰(zhàn)是復(fù)合陰極內(nèi)部和外部界面的Li+和電子導(dǎo)電性有限。一方面，在復(fù)合陰極的內(nèi)部界面，陰極材料的體積變化導(dǎo)致陰極材料與SSE之間的接觸減少，從而減少了陰極/SSE界面的Li+轉(zhuǎn)移。為了增強(qiáng)Li+轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，基于溶液法開發(fā)了各種用于陰極材料表面改性的各種原位SSE涂層策略。
此外，薄SSE層的制造也有利于更短的Li+轉(zhuǎn)移路徑。另一方面，使用碳添加劑來增強(qiáng)復(fù)合陰極中的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)面臨巨大障礙。碳添加劑的高電子導(dǎo)電性加速了SSE的分解，導(dǎo)致復(fù)合陰極中形成不良的界面層。
在復(fù)合陰極的外部界面，陰極和集流體的界面至關(guān)重要，但被忽視了。只有一項(xiàng)模擬工作推測，Li+和電子導(dǎo)電在集流體的界面上都受到限制。因此，了解陰極/集流體界面的降解機(jī)制和合理策略的設(shè)計(jì)對于ASSLIB的高倍率性能至關(guān)重要。
加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士，多倫多大學(xué)Chandra Veer Singh和國家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心王建濤等人在Advanced Functional Materials上發(fā)表文章Fast-Charging Halide-Based All-Solid-State Batteries by Manipulation of Current Collector Interface，聚焦于集流體界面的演變及優(yōu)化。
本文研究了在25和-10°C的LiCoO2/Li3InCl6（LCO/LIC）ASSLIB中鋁箔集流體和復(fù)合陰極之間的界面演變。通過詳細(xì)的電化學(xué)測試、X射線表征結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算和界面形貌觀察，結(jié)果表明，鋁箔和LIC之間的副反應(yīng)是集流體在25°C下界面穩(wěn)定性的主要挑戰(zhàn)。副反應(yīng)導(dǎo)致鋁箔腐蝕和LIC電解質(zhì)分解，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性下降和倍率性能差。
為了避免兩者的副反應(yīng)，作者利用類石墨烯碳（GLC）涂層改性的鋁箔避免了鋁箔和LIC之間的直接接觸，從而避免了集流體界面的副反應(yīng)，這明顯提升了全固態(tài)電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
GLC Al ASSLIB在1C下，初始容量為102.9 mAh g-1，150個(gè)周期后，容量保留率為89.1%。在5C下，還實(shí)現(xiàn)了69 mAh g-1的高容量。GLC Al ASSLIB在低溫（-10°C）下的電化學(xué)性能也大大提高，這表明GLC改性不僅避免了副反應(yīng)，還增強(qiáng)了集流體界面上的Li+和電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。
本研究收集的結(jié)果表明，集流體作為陰極的外部界面對無機(jī)ASSLIB的性能至關(guān)重要。在全氣候環(huán)境中設(shè)計(jì)快充ASSLIB時(shí)，應(yīng)考慮此界面反應(yīng)和動(dòng)力學(xué)。
圖2. 裸鋁和GLC包覆鋁固態(tài)電池的室溫電化學(xué)性能
圖3. 循環(huán)后的裸鋁和GLC包覆鋁集流體和陰極的XPS表征
圖4. 循環(huán)后的裸鋁和GLC包覆鋁集流體的ToF-SIMS表征
圖5. 循環(huán)后的裸鋁和GLC包覆鋁集流體的形態(tài)演變
圖6. 裸鋁和GLC包覆鋁的低溫電化學(xué)和XPS表征
孫學(xué)良，世界著名的能源材料領(lǐng)域頂尖科學(xué)家，加拿大皇家科學(xué)院和加拿大國家工程院兩院院士，2021年當(dāng)選中國工程院外籍院士，國際電化學(xué)能源科學(xué)院常務(wù)副主席，加拿大納米能源材料領(lǐng)域首席科學(xué)家。
現(xiàn)任國際電化學(xué)能源科學(xué)院（IOAEES）的主席，擔(dān)任Springer旗下國際期刊Electrochemical Energy Review主編（影響因子28.905）。2020年與2021年全球前2%頂尖科學(xué)家（終身科學(xué)影響力）；連續(xù)4年（2018年-2021年）入選科睿唯安全球“高被引科學(xué)家” 。已發(fā)表Nature/Science子刊、Adv. Mater, J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem.Int. Edit., Adv.Mater., Energy Environ.Sci.等高水平論文550篇，總引用次數(shù)40000次，H因子105，獲11項(xiàng)美國及PCT國際專利。編寫4本英文著作和撰寫18本英文著作的章節(jié)，在國際會議上做過150多場大會/主題/邀請報(bào)告，受邀參加了140多場國際學(xué)術(shù)會議。孫學(xué)良教授的研究主要圍繞新型材料的開發(fā)，以及其在電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化和儲存系統(tǒng)中的應(yīng)用，覆蓋了從基礎(chǔ)科學(xué)到納米應(yīng)用技術(shù)、再到新興的清潔能源工程范疇，研究領(lǐng)域包括固態(tài)電池、二次液態(tài)電池和燃料電池等重點(diǎn)從事鋰離子電池，固態(tài)電池和燃料電池研究與應(yīng)用。
王建濤，國家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心教授級高級工程師。2006年7月于北京科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位；2006年9月起進(jìn)入中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所攻讀碩士、博士學(xué)位，2011年7月獲得博士學(xué)位。2015年入選北京市科技新星計(jì)劃，現(xiàn)任國聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司創(chuàng)新事業(yè)部總經(jīng)理。
長期從事高性能鋰離子電池關(guān)鍵正負(fù)極材料及關(guān)鍵技術(shù)研究和開發(fā)工作。先后主持國家自然科學(xué)基金1項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金海淀聯(lián)合創(chuàng)新基金課題、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目、北京市懷柔區(qū)重點(diǎn)等多項(xiàng)國家和省部級項(xiàng)目，骨干參與國家“863”科技計(jì)劃、973科技計(jì)劃、自然科學(xué)基金、重大協(xié)同創(chuàng)新平臺項(xiàng)目、北京市重點(diǎn)成果轉(zhuǎn)化統(tǒng)籌項(xiàng)目等相關(guān)項(xiàng)目10余項(xiàng)。北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目通訊評審專家。
申請國家專利40多項(xiàng)，發(fā)表國內(nèi)外論文30多篇，撰寫英文論著1章。
Fast-Charging Halide-Based All-Solid-State Batteries by Manipulation of Current Collector Interface. Adv. Funct. Mater.2022, 2200767
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200767
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