不同電池基底上鋰鈉合金通用焊接策略技術(shù)解析

【引言】

金屬鋰電池由于其最低的還原電勢(shì)和超高的理論比容量，在未來(lái)能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鋰枝晶生長(zhǎng)以及液體有機(jī)電解質(zhì)的易燃性等問題，嚴(yán)重威脅了金屬鋰電池的安全使用。因而其中最有效的策略是使用不易燃且機(jī)械強(qiáng)度良好的固態(tài)電解質(zhì)(solid-state electrolytes, SSEs)，以此抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

在如此眾多的SSEs當(dāng)中，立方石榴石相SSEs優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)槠渚哂辛己没瘜W(xué)穩(wěn)定性、高離子導(dǎo)電率和寬電化學(xué)電勢(shì)窗口。應(yīng)用石榴石基固態(tài)金屬鋰電池的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，石榴石固態(tài)電解質(zhì)和電極材料之間表面接觸十分不好。金屬鋰和石榴石陶瓷片之間的直接接觸一般會(huì)造成接觸不良以及較大的表面阻抗，通過(guò)添加聚合物界面或者施壓，界面將有所改善，但阻抗仍然十分高。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，來(lái)自馬里蘭大學(xué)的胡良兵副教授在著名期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為”Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries”的論文，第一作者為王成威博士，共同第一作者為在讀博士生謝華。該文章報(bào)道了一種通用焊接技術(shù)，可以快速地將熔融的金屬鋰或金屬鈉涂覆在不同的基底上用于固態(tài)電池和其他應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)添加合金成分，熔融鋰的表面能和粘性都增加了。富鋰的熔融合金在陶瓷、金屬和聚合物等基底上展示了良好的浸潤(rùn)性。將該焊接涂覆技術(shù)應(yīng)用于固態(tài)電池中時(shí)，熔融的鋰錫合金在10秒內(nèi)成功涂覆在剛打磨完的石榴石陶瓷片上，如快速的焊接過(guò)程一般。SEM圖證實(shí)了合金和石榴石表面的緊密接觸，其界面阻抗只有7Ω cm2。鋰的嵌入-脫出循環(huán)測(cè)試證實(shí)了富鋰合金負(fù)極和石榴石SSEs界面接觸的穩(wěn)定性。同樣的浸潤(rùn)性現(xiàn)象在鈉基熔融合金和鈉錫合金應(yīng)用于氧化鋁基底上時(shí)亦有觀測(cè)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一焊接鋰以及鋰合金在基底上的示意圖。

a) 純?nèi)廴阡囋诠腆w基底上浸潤(rùn)性很低；

b) 鋰合金可以輕易焊接在基底上有更好的接觸。

圖二鋰錫合金在陶瓷基底上的浸潤(rùn)性。

a) 在氧化鋁基底上不同錫比例的鋰錫合金的浸潤(rùn)性；

b) 鋰錫合金有效地熔接在石榴石SSE陶瓷片上；

c) /d) 不同分辨率下鋰錫合金的SEM截面圖。

圖三固態(tài)對(duì)稱電池的電化學(xué)測(cè)試。

a) EIS阻抗圖；

b) 循環(huán)前和循環(huán)過(guò)程中的EIS阻抗圖；

c) 鋰錫/石榴石/鋰錫對(duì)稱電池在嵌入-脫出循環(huán)中的電壓分布圖。

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