全固態電池空間電荷層微觀機理揭示

記者28日從中國科學技術大學獲悉，該校馬騁教授團隊通過球差校正電鏡的原子尺度觀測，研究了空間電荷層對全固態鋰電池中離子傳輸的影響，併發現這一現象的微觀機理和過往幾十年的認知截然不同。研究成果發表在國際學術期刊《自然·通訊》上。

相比于目前的商業化鋰離子電池，全固態鋰電池具有更好的安全性和更大的能量密度提升空間。在這種電池中，空間電荷層可以産生於各種固—固界面附近。之前研究者普遍認為，空間電荷層對離子遷移的影響只由鋰離子的濃度決定：鋰離子濃度高則有利於離子遷移，鋰離子濃度低則不利於離子遷移。為了透徹理解空間電荷層對離子傳輸的實際影響，需要對材料進行原子尺度的直接觀測。

研究人員以經典固態電解質的晶界作為研究對象。在此前的認知中，該材料之所以具有過大的晶界電阻，是因為空間電荷層在晶界附近形成了鋰離子濃度極低的區域，從而限制了離子遷移效率。而馬騁團隊通過球差校正電鏡觀測發現，晶界附近的鋰離子濃度反而高於材料中的平均水準，並精準確定了這些多餘鋰離子在晶格中的位置。結合理論計算和電化學測試，他們發現這種晶體結構能實現相當高效的離子傳輸，和文獻中被普遍接受的假想截然相反。這一發現修正了關於空間電荷層的認知，也為全固態電池的界面優化提供了指導法則。