項目成果/簡介:

硫化物固態電解質（LGPS）由于擁有與液態電解質接近的室溫離子電導率，因此被視為下一代高能量密度電池的候選體系之一。但是，由于硫化物固態電解質較窄的電化學窗口（如Li10GeP2S12，1.7~2.1 V vs. Li/Li+）,在與較高工作電壓的LiCoO2氧化物正極（LCO）匹配時會發生一系列副反應，在界面處堆積低電導的氧化副產物(如Li3PS4, S, GeS2），同時LGPS和LCO電化學勢的不匹配還將導致界面處產生空間電荷層（SCL），這些因素都將極大地增加固態電池的界面阻抗，進而使得固態電池的性能迅速衰減。目前，解決氧化物正極-硫化物固態電解質界面不匹配問題的主要途徑為在氧化物正極表面包覆一層過渡層，用以緩沖正極和電解質界面的電勢不匹配問題。 通過簡單易行的固相包覆方法，首先將粒徑為10 nm二氧化鈦納米顆粒均勻分散在鈷酸鋰表面，再通過高溫燒結處理在鈷酸鋰表面形成一層約1.5納米保護層。對照實驗，FIB-TEM原位觀察和XPS佐證表明通過高溫原位反應鈷酸鋰表面將形成Li2CoTi3O8尖晶石相(LCTO)。具有穩定三維尖晶石結構的LCTO晶體在鈷酸鋰工作的電壓區間依然能保持結構穩定，與鈷酸鋰基體之間具備較強的鍵合，同時具有高的鋰離子擴散能力（Li+= 8.22×10-7 cm2 s?1），低電子電導（2.5×10-8 S cm-1）。這些性質將有助于在LCO和LGPS之間形成有效的電壓降，保持界面穩定性的同時提供快速的離子遷移通道。理論計算表明，相較于LCO/LGPS界面，通過引入LCTO中間層產生的兩個替代界面，即LCTO/LCO和LCTO/LGPS具有更強的熱力學穩定性和更強的界面親和力。