克服锂电池固体电解质的瓶颈

中国科学技术大学(USTC)的马诚教授及其合作者提出了一种有效的策略，以解决限制下一代固态锂电池发展的电极-电解质接触问题。以这种方式产生的固体-固体复合电极表现出优异的容量和倍率性能。

用固体电解质代替传统锂离子电池中的有机液体电解质可以大大缓解安全问题，并有可能破坏“玻璃天花板”以提高能量密度。但是，主流电极材料也是固体。由于两种固体之间的接触几乎不可能像固体和液体之间那样紧密，因此，目前基于固体电解质的电池通常表现出不良的电极-电解质接触和不令人满意的全电池性能。

该研究的主要作者，中国科学技术大学马成教授说：“固态电池的电极与电解质的接触问题有点像木桶的最短壁。” “实际上，这些年来研究人员已经开发出许多出色的电极和固体电解质，但是它们之间的不良接触仍然限制了锂离子的传输效率。”

幸运的是，马云的策略可以克服这一巨大挑战。该研究始于对钙钛矿结构的原型固体电解质中杂质相的逐个原子检查。尽管杂质和固体电解质之间的晶体结构差异很大，但是观察到它们形成了外延界面。经过一系列详细的结构和化学分析，研究人员发现杂质相与高容量的富锂分层电极是同构的。也就是说，原型固体电解质可以在由高性能电极的原子框架形成的“模板”上结晶，从而产生原子上紧密的界面。

第一作者李富珍说：“这真是一个惊喜。”李富珍目前是中国科学技术大学的研究生。“材料中杂质的存在实际上是非常普遍的现象，这种现象非常普遍，以至于大多数时候它们都会被忽略。但是，仔细研究它们之后，我们发现了这种意外的外延行为，这直接启发了我们的策略以改善固-固接触。”

利用观察到的现象，研究人员在富含锂的层状化合物表面上故意使非晶态粉末与钙钛矿结构固体电解质具有相同的成分结晶，并成功地实现了这两种固体材料之间的彻底无缝接触。复合电极。随着电极-电解质接触问题的解决，这种固体-固体复合电极提供了甚至与来自固体-液体复合电极的速率能力相当的速率能力。更重要的是，研究人员还发现这种类型的外延固-固接触可以容忍较大的晶格失配，因此他们提出的策略也可适用于许多其他钙钛矿固体电解质和层状电极。

马云说：“这项工作指出了一个值得追求的方向。” “将此处提出的原理应用于其他重要材料可能会导致更好的电池性能和更有趣的科学。我们期待着它。” 研究人员打算继续朝这个方向进行探索，并将拟议的策略应用于其他高容量，高电势的阴极。

该研究发表在Celler杂志的Matter期刊上，题为“固体电解质与锂电池电极之间的原子紧密接触”。