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編者按：
開發(fā)高性能負(fù)極材料成為全固態(tài)電池研究領(lǐng)域熱點(diǎn)。韓國(guó)三星研究院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種獨(dú)特的銀-碳（Ag-C）復(fù)合負(fù)極，替代鋰（Li）金屬負(fù)極，結(jié)合硫銀鍺礦（Argyrodite）型固態(tài)電解質(zhì)制備了軟包的全固態(tài)電池，獲得了高達(dá)942 Wh/kg能量密度，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，在電動(dòng)汽車等高比能儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。


以金屬鋰作負(fù)極的全固態(tài)鋰金屬電池在理論能量密度和安全性上都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池。然而，鋰負(fù)極不受控的枝晶生長(zhǎng)以及低庫(kù)倫效率嚴(yán)重制約了鋰負(fù)極全固態(tài)鋰金屬電池的實(shí)用化發(fā)展。因此開發(fā)高性能負(fù)極材料成為了全固態(tài)電池研究領(lǐng)域熱點(diǎn)。

三星高等研究院In Taek Han研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合日本三星研究院設(shè)計(jì)開發(fā)了一種獨(dú)特的銀-碳（Ag-C）復(fù)合負(fù)極，替代鋰（Li）金屬負(fù)極，結(jié)合硫銀鍺礦（Argyrodite）型固態(tài)電解質(zhì)制備了軟包的全固態(tài)電池，獲得了高達(dá)942 Wh/kg能量密度，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，在電動(dòng)汽車等高比能儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。

相關(guān)研究已經(jīng)表明，相比傳統(tǒng)石榴石型固態(tài)電解質(zhì)，Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)具備更加優(yōu)異的離子導(dǎo)電性、柔軟特質(zhì)、機(jī)械性能。因此研究人員通過機(jī)械加壓方法制備了Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)（Li6PS5Cl），導(dǎo)電率測(cè)試顯示，其室溫離子導(dǎo)電率超過1 mS/cm，表現(xiàn)出優(yōu)異的離子導(dǎo)電性。

隨后利用濕化學(xué)法在不銹鋼集流體上制備了Ag-C復(fù)合負(fù)極并對(duì)其對(duì)金屬Li的沉積-剝離過程影響進(jìn)行了研究，充電后掃描電鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在無Ag-C復(fù)合電極的不銹鋼集流體上明顯觀察到了Li不均勻沉積和枝晶形成，相反在含有Ag-C電極不銹鋼集流體上則觀察到了Li的均勻沉積，主要原因是Ag改善了導(dǎo)電性降低了Li成核能壘促進(jìn)了Li的均勻成核。放電后，含有Ag-C電極不銹鋼集流體鋰沉積全部分解，這表明了Ag-C電極有效調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積-剝離過程，避免枝晶形成，有助于電池壽命的延長(zhǎng)。

接著以Argyrodite型固態(tài)電解質(zhì)作為電解質(zhì)，以比容量超過210 mAh/g、面積容量高于6.8 mAh/cm2的高鎳層狀過渡金屬氧化物（LiN0.9Co0.05Mn0.05O2,NCM955）作為正極、Ag-C復(fù)合材料作為負(fù)極組裝成雙層堆疊式軟包電池，并利用等溫靜壓技術(shù)來改善固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面接觸。

此外，為了避免正極材料在高壓下的界面副反應(yīng)，研究人員在NCM955正極表面包覆了一層厚度為5 nm的氧化鋰-氧化鋯（Li2O-ZrO2）復(fù)合物涂層。在0.5C電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，結(jié)果顯示電池放電比容量高達(dá)5870 mAh，能量密度942 Wh/kg，平均庫(kù)倫效率高達(dá)99.8%，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000次，表現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。

研究人員還測(cè)試各種不同高溫下電池穩(wěn)定性，結(jié)果顯示電池表現(xiàn)出良好耐高溫特性，且該電池體積僅為同樣容量傳統(tǒng)鋰離子電池一半。



圖1基于獨(dú)特銀-碳復(fù)合負(fù)極的全固態(tài)電池

該項(xiàng)研究精心設(shè)計(jì)和制備了獨(dú)特銀-碳復(fù)合負(fù)極，替代鋰金屬負(fù)極，結(jié)合硫銀鍺礦型固態(tài)電解質(zhì)制備了全固態(tài)電池，獲得了高達(dá)942 Wh/kg能量密度和99.8%平均庫(kù)倫效率；此外銀-碳電極有效調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積-剝離過程，避免枝晶形成，顯著提升了電池壽命，穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)向商業(yè)化邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Energy》[1]。

[1] Yong-Gun Lee, Satoshi Fujiki, Changhoon Jung, et al. High-energylong-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carboncomposite anodes, Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0575-z

 原標(biāo)題;三星研究院在高性能長(zhǎng)壽命全固態(tài)電池領(lǐng)域取得重大突破