金屬鹵化物鈣鈦礦大幅提升鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性

記者14日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校核化學(xué)與材料學(xué)院姚宏斌課題組與合作者合作，充分利用氯基金屬鹵化物鈣鈦礦寬帶隙、成膜性好、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出基于金屬鹵化物鈣鈦礦的梯度導(dǎo)鋰層，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰負(fù)極與電解液的隔離，大幅度提升了鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。該成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

金屬鹵化物鈣鈦礦因其帶隙可調(diào)、缺陷容忍度較高、以及制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)成為近年來(lái)光電研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)材料。然而，與鋰離子導(dǎo)體鋰鑭鈦氧化合物具有相似空間結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物鈣鈦礦材料，其框架內(nèi)的鋰離子傳導(dǎo)特性以及相關(guān)應(yīng)用卻少有研究。

研究人員發(fā)現(xiàn)，利用旋涂法制備的金屬氯基鈣鈦礦具有容納和傳輸鋰離子的特性。鋰離子可以插入金屬鹵化物鈣鈦礦的晶格中，并能夠在鈣鈦礦/基底界面可逆地進(jìn)行合金化/去合金化反應(yīng)，在底部生成構(gòu)成獨(dú)特的鈣鈦礦-合金層梯度漸變結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的鈣鈦礦-合金層梯度漸變結(jié)構(gòu)有利于鋰離子在電極上的均勻沉積/脫出。

此外，研究人員發(fā)展了方便的固相轉(zhuǎn)印方法，將旋涂法制備的高質(zhì)量氯基鈣鈦礦薄膜原位地轉(zhuǎn)移到在鋰箔表面，形成具有梯度結(jié)構(gòu)的導(dǎo)鋰層，實(shí)現(xiàn)致密的鋰金屬沉積和脫出，避免了鋰枝晶生長(zhǎng)和鋰金屬電極的粉化。最終電化學(xué)循環(huán)測(cè)試表明，即使在貧鋰和有限電解液的嚴(yán)格條件下，循環(huán)100圈后容量仍保持在80%以上，而沒(méi)有保護(hù)層的鋰金屬電池在循環(huán)50圈后容量已降低到初始的40%。

該成果是金屬鹵化物鈣鈦礦材料在鋰金屬負(fù)極界面導(dǎo)鋰層應(yīng)用的首次嘗試，將為新型固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)和高性能鋰金屬電池構(gòu)筑提供更多的可行性思路。