硫化物全固态锂电池的电-化-力耦合失效与解决策略

硫化物全固态锂电池的电-化-力崔光磊研究员介绍介绍青岛储能院研究方向Ourgroupsite:/专注于电极/电解质界面科学问题、失效机理，并潜心从事高安全关键电解质材料、固态电池及全海深电源应用首次实现全海深电源系统应用示范首次实现全海深电源系统应用示范扭转我国电缆供电的万米全深海科考尴尬局面扭转我国电缆供电的万米全深海科考尴尬局面深着陆器提供充足的能源动力，单次续航长达26天，创深海电源单次最长持续作业时实现全球首次万米洋底直播实现全球首次万米洋底直播为深海环境探测、科学研究提供了有力的电化学能源技术支撑2020年11月13日，成功保障“沧海”与“奋斗者”的万米深海联合作业6为深海原位科学实验站提供了持续稳定的唯一能源动力6为深海原位科学实验站提供了持续稳定的唯一能源动力为深海科考及未来海疆防护绘制了长续航、高可靠的水下能源供给蓝图788多物多物理场耦合""""长长 能斯特-普朗克方程能斯特-普朗克方程99多物理场多尺度锂离子迁移与界面息息相关多级固-固界面电-化-力失效导致电池性能衰减10效行为效行为池性能G.L.Cui,etal.J.PowerSources,2018,392,94.多物理场理论模拟固态电池界面失效密度泛函理论钴酸锂/密度泛函理论钴酸锂/硫化物具有高界面反应能和高离子传输势垒有限元分析钴酸锂/有限元分析钴酸锂/硫化物界面空间电荷层阻碍锂离子迁移微观模拟介观模拟宏观模拟有限元分析三元二次颗粒不均匀的体积形变导致颗粒内出现裂纹且与电解质脱离11,2100881.GL.Cui.Pyys.Chem.ij浓度梯度集中在界面处ij浓度梯度集中在界面处ab电池单向放电ab电池单向放电cc电池多次循环 fG.L.Cui,etal.Adv.EnergyMater.2022,2103714l锂金属不均匀沉积/溶l锂金属不均匀沉积/溶解，厚度降低增加，有锂枝晶脱嵌锂反应导致颗粒粉化、解离G.L.Cui,etal.Sci.Bull.基于聚合物/硫化物设计复合电解质体系氧化物硫化物聚合物离子电导率电子绝缘性器件集成性器件集成性电子绝缘性电子绝缘性器件集成性器件集成性可加工性离子迁移数可加工性离子迁移数可加工性离子迁移数可加工性机械稳定性氧化稳定性机械稳定性氧化稳定性机械稳定性氧化稳定性机械稳定性热稳定性还原稳定性热稳定性还原稳定性热稳定性还原稳定性热稳定性还原稳定性化学稳定性l创新材料体系：聚合物电解质、新型锂盐和硫化物电解质深蓝汇泽刚柔并济复合体系基于聚合物/硫化物设计复合电解质体系创新材料体系“刚柔并济”电解质刚性骨架无机快离子导体聚合物柔性离子传输材料刚性骨架无机快离子导体“刚柔并济”：路易斯酸碱相互作用，构造界面渗流能创新聚合物电解质分子设计——聚合物分子设计开发出系列高性能聚合物电解质，兼具宽电化学窗口和高离子电导率聚乙烯基甲醚-马来酸酐聚碳酸亚乙烯酯聚(碳酸亚乙烯酯-丙烯腈)聚偏氟乙烯/聚醋酸乙烯酯聚乙烯基甲醚-马来酸酐聚碳酸亚乙烯酯聚(碳酸亚乙烯酯-丙烯腈)聚偏氟乙烯/聚醋酸乙烯酯G.L.Cui,etal.Adv.Sci.,2017,4,1600377(ESI高被引论文);G.L.Cui,etal.Energ.Environ.Sci.,2018,11,1197(ESI高被引论文);G.L.Cui,etal.J.Mater.Chem.A,2019,7,5295;G.L.Cui,etal.Adv.EnergyMater.2020,10,1903939.l应邀为国际专业顶级期刊Adv.Matel应邀以客座编辑为Macromol.Chem.l国际顾问委员会和国际聚合物电解质理事LiLi创新聚合物电解质分子设计——锂盐分子设计开发出系列高性能新型锂盐，解决高能量密度锂金属电池的负极界面稳定性CF3CF3F3COOCF3BOCF3CF3F3COOCF3BOLF3CCF3ll近五年兼容锂复合负极的新型锂盐方向发表文章论文数量排名第一第二位为西班牙CICengergiGUNE的MichelArmand教授复合固态电解质的三相渗流结构设计单相渗流双相渗流三相渗流●硫化物相●硫化物相“三相渗流”复合电解质2.0×10-4Scm-1)G.L.Cuietal.Adv.Sci.2021,3DLPSCl/P(PEGMEA)u三维硫化物(LPSCl)骨架进一步提高复合电解质电导率u固态核磁探究离子的输运行为：连续无机相>连续界面相>连续有机相提升电极和电解质自身的导电性G.L.Cui提升电极和电解质自身的导电性G.L.Cui.Angew.Chem.Int.Ed.2022,61,e202209626.l原位DPC-STEM技术直接观察净电荷分布，发现纳米尺寸的LiTMO2和Li2MnO3畴结构不均匀分布，导致反应不均匀,且锂离子聚集在电解质中。限制容量正常发挥。l通过离子交换、共掺杂构建O2型富锂正极，从根本上消除纳米尺寸相分离次序化结晶和异质生长模型次序化结晶和异质生长模型构建钛酸钡铁电修饰层铁电内建电场抑制空间电荷层未修饰修饰后崔光磊.专利202011101181.9外：构建铁电内建电场提升界面锂传输动力学G.L.Cuietal.Nat.Commun.2020,11,5889.崔光磊.专利202011101181.9外：设计构建双向兼容缓冲层实现双功能崔光磊.专利202011101181.9.外：构建高杨氏模量修饰层增强力学性能未修饰正极充电前后未修饰正极充电前后修饰正极充电前后修饰正极充电前后Pristi-—-nel修饰层提高力学性能（4vs50GPa）G.L.Cuietal.ACSAppl.Mater.Interfaces.2022,14,17674.外：正极电-化-力改性解决电池多场耦合失效l首次采用同步辐射成像技术观察到全固态电池中的串扰行为l证明正极电-化-力耦合改性对抑制负极锂枝晶和固态电解质力学失效的显著效果G.L.Cui,etal.Sci.Bull.原位固态化强化解决单体电池电-化-力失效原位固态化强化解决单体电池电-化-力失效4.7VLi10GP2S12•原位固态化提升固态电解质耐氧化性、室温离子电导率、力学性能2022,9,2202474AAG.L.Cui.Adv.Sci.2020,2003370.原位固态化技术在柔性固态电池验证基于高电导率、高柔韧性的硫化物/聚合物复合电解质的厚膜高面载电池：厚度353微米；面载量（NCM622）7.5mAhcm-2；能量密度高于400Whkg-1。G.L.Cui,etal.NatCommun14,669(2023)Matter2020,2:805;ACSAppl.Mater.Interfaces2018,10,13588;Adv.Funct.Mater.2021,31,2101523;Adv.Sci.2021,8,2003887;Adv.Sci.2022,9,2202474.多级界面多物理场耦合改性多级界面多物理场耦合改性界面相容性与锂传输Nat.CommunNat.Commun.2023,14,669;Nat.Commun.2020,11,5889;Adv.Mater.2019,31,1902029;Angew.Chem.Int.Ed.2022,61,e202209626.Adv.EnergyMater.2021,11,2100881;ACSAppl.Mater.Interfaces2022,14,17674;Sci.Bull.2023Adv.Mater.2019,31,1902029;Adv.E