全固態(tài)鋰電池以其高安全性和高能量密度有望成為超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術(shù)。然而，電極材料（包括正極和負極）與固態(tài)電解質(zhì)的界面不穩(wěn)定性一直是困擾固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸所在。例如，正極/電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的層狀氧化物正極（主流正極材料）結(jié)構(gòu)退化是限制全固態(tài)鋰電池性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。特別是，在產(chǎn)業(yè)界不斷提高層狀氧化物正極中鎳含量的背景下（電池能量密度與其鎳含量成正比），高鎳層狀氧化物正極材料的本征電化學不穩(wěn)定性導致的電池性能衰減顯著加劇。在此背景下，深入認識正極/固態(tài)電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的電池材料失效機制對于全固態(tài)電池材料的優(yōu)化設計具有重要意義。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部王春陽研究員與加州大學爾灣分校忻獲麟教授團隊基于前期液態(tài)鋰電正極材料失效機制的研究（Nature Materials,2023;Matter,2021,2023;Nano Letters,2021,2021,2022,2023），在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得重要突破，利用人工智能輔助的透射電鏡技術(shù)揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結(jié)構(gòu)退化機制，并發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的退化機制有著顯著差別。研究成果以 “Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries”為題發(fā)表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。
研究表明，全固態(tài)電池中的晶格失氧和局部應力耦合驅(qū)動的表面“晶格碎化”以及脫鋰誘發(fā)的剪切相變共同導致了層狀氧化物的結(jié)構(gòu)性能退化。表面“晶格碎化”涉及納米級多晶巖鹽相的形成，這一失效模式系首次在層狀氧化物正極材料中被發(fā)現(xiàn)。該研究還發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于傳統(tǒng)鋰離子電池中層狀正極的剪切界面新構(gòu)型和大尺寸O1相的形成。這一研究拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，有望為面向全固態(tài)電池的正極材料和正極/電解質(zhì)界面優(yōu)化設計提供重要理論指導。同時，該工作也凸顯了先進電子顯微學表征技術(shù)在解決能源領(lǐng)域核心科學問題中扮演的重要角色。
圖1. 全固態(tài)鋰電池層狀氧化物正極的原子尺度失效機制總結(jié)
圖2. 層狀氧化物正極中電化學脫鋰（充電）誘導的剪切相變
圖3. 層狀氧化物正極中剪切相界面結(jié)構(gòu)的精細原子構(gòu)型分析
圖4. 界面電化學反應誘導的層狀氧化物表面“晶格碎化”
