圖/中國海洋大學

來自中國海洋大學的消息顯示，近日，中國海洋大學材料科學與工程學院在固態(tài)電池研究領域取得新進展，相關論文《高效離子滲透網(wǎng)絡實現(xiàn)高負載全固態(tài)正極》（Efficient Ion Percolating Network for High-Performance All-Solid-State Cathodes）發(fā)表在國際頂尖期刊Advanced Materials（IF：29.4）。材料科學與工程學院2022級博士研究生程廣增為第一作者，吳敬一教授和王煥磊教授為共同通訊作者，中國海洋大學材料科學與工程學院為第一通訊單位。

全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）采用固態(tài)電解質(zhì)（SSE），具備高能量密度的固有優(yōu)勢，被視為未來電化學儲能器件中最具前景的選擇之一。盡管如此，目前尚未充分挖掘ASSLBs快速充放電的動力學潛力，而且面臨著正極負載量低和倍率性能差等嚴峻挑戰(zhàn)，這些問題嚴重制約了全固態(tài)電池的大規(guī)模應用。研究表明，雖然高離子電導率的SSE可以提升ASSLBs的電化學性能，但固態(tài)正極內(nèi)部的離子傳輸同樣至關重要，尤其是考慮到電池運行過程中，由SSE、正極活性物質(zhì)（CAM）顆粒和孔隙物理混合形成的固態(tài)正極中離子滲透的復雜性。因此，通過微觀結構的調(diào)節(jié)來確保固態(tài)正極內(nèi)部離子的高效滲透，對于構建性能優(yōu)越的ASSLBs具有重要意義。

基于此，研究團隊提出了一種磁場誘導的方法來控制Li_0.35La_0.55TiO₃納米線（LLTO NWs）在固態(tài)復合正極中的垂直取向，使離子在只有1 vol% LLTO NWs的高負載正極中有效滲透。組裝測試了LiFePO₄（LFP）為CAM的全固態(tài)電池，在60 ℃下以2C和5C的電流密度進行放電，其可逆放電容量分別為151和100mAh g^-1。令人印象深刻的是，電池在2 C的電流密度下，室溫下的比容量達到了108mAhg^-1。此外，即使LFP的負載量達到20mgcm^-2，電池的面積容量也能夠達到3mAhcm^-2。進一步的研究表明，該復合正極在使用LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂作為CAM時仍然具有較高的倍率和容量保持能力，這肯定了低迂曲度離子滲透網(wǎng)絡在正極中的通用性，并為復合正極的設計提供了新的視角。該研究工作實現(xiàn)了正極內(nèi)離子的快速傳輸和電池的高能量密度，為實用的高性能全固態(tài)鋰離子電池提供了一個有前景的解決方案。

吳敬一主要從事新型復合材料的設計及其在下一代二次電池中的應用，目前研究聚焦在水系鋅電池、鋰金屬電池、固態(tài)電池。自2022年以青年英才工程第一層次引進入學校以來，在國家自然科學基金青年基金、山東省泰山學者青年專家、中國海洋大學青年英才工程的資助下，已經(jīng)以中國海洋大學為第一單位在Advanced Materials （2023）、Advanced Materials （2022）、eScience （2023）、Energy & Environmental Materials （2023）、Small Methods （2023）、Small （2023）、SusMat （2022）等高水平期刊上發(fā)表了一系列成果。本次在Advanced Materials上發(fā)表的研究成果是該研究團隊在人才培養(yǎng)和國內(nèi)外科研合作方面取得的又一重要進展。