物理所禹习谦索鎏敏ACS Energy Lett.全固态电池设计新概念新机理：全活性一体化电极+双载流子传输
电荷的传输和存储是电池器件的核心功能。在经典三相电极中，电子的传输、离子的传输、离子的储存分别由导电碳、电解质和活性物质三类单功能材料完成，特别是在商用锂离子电池电极中，电子和离子的传输介质（电解液/导电碳）界限十分分明，使得两种载流子的传输通道彼此挤占，导致迂曲度增加，离子和电子传输路径增大，同时也为电极内部带来诸多界面，限制了电池的能量密度和动力学性能。
2021年，全活性物质全固态电池首次被提出，在该类体系中通过引入高离子电子活性电极材料实现了电极由100%活性物质构成，从而在两相电极Mo6S8/S8实现了电极层面上770Wh/kg和1900Wh/L的超高能量密度1。进一步地，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心博士生李美莹、潘弘毅在索鎏敏研究员和禹习谦研究员的指导下研究了该类全活性物质全固态电极特有的一体化双载流子(Dual-CarrierConductor,DCC)传输机制。研究表明，这种全固态两相DCC电极的弯曲度仅为1~4，远低于全固态三相电极(10~100)，甚至在商用液态电池电极中也处于领先地位(1.5~10)。这一结果说明同等厚度下DCC电极的电荷传输路径更短，更有利于制备高载量厚电极，该猜想被NanoCT和电池性能证实。
全固态DCC电极结构对电荷传输性能的提升不限于全电化学活性电极体系，且不依赖于电极精细结构设计，对推动全固态电池实用化有积极作用。该研究成果近日发表在《ACSEnergy Letters》上。
题为All-in-OneIonic−Electronic Dual-Carrier Conducting Framework ThickeningAll-SolidState Electrode，MeiyingLi, Hongyi Pan, Tao Liu, Xiaolin Xiong, Xiqian Yu,* Yong-Sheng Hu,Hong Li, Xuejie Huang, Liumin Suo,* and Liquan Chen
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c02666
前期工作： Dense All-Electrochem-Active Electrodes for All-Solid-State Lithium Batteries，Meiying Li, Tao Liu, Zhe Shi, Weijiang Xue, Yong-sheng Hu, Hong Li, Xuejie Huang, Ju Li, Liumin Suo, and Liquan Chen. Advanced Materials. 2021, 33, 2008723.
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008723
图1.经典三相锂离子电极(电解质/碳/活性物质)和一体化两相DCC(DCC/活性物质)电极。图A和图D为锂离子和电子传输路径图。图B和图E为电化学反应发生的位置。DCC电极显示出更直接的电荷传输路径，且电化学反应发生在DCC/活性物质界面处，而非只在三相交界处。图C和图F为经典三相和DCC两相电极电流密度分布模拟。电极组分抽象为几何图形。
图2.在DCC电极和经典三相电极中，有效电导率(σeff)、MacMullin指数(NM)和弯曲系数(τ2)随导电剂体积(Φ)的变化而变化。图A和图C描述了锂离子传输的特征，图B和图D描述了电子传输的特征。其中x坐标分别为离子导体(ΦDCC或ΦSE)和电子导体(ΦDCC或ΦC)的体积。图A和图B中的虚线分别代表Mo6S8的本征离子电导率(灰色，σ0,ion)和本征电子电导率(黄色，σ0,ele)。插图显示了测试电极的结构。
图3.基于纳米级X射线计算机断层扫描(nano-CT)数据的Mo6S8/S8两相电极的三维重构和模拟。图A为混合电极的重构。图B至图D为Mo6S8,S8和孔隙形貌重构。图E为1μm × 1 μm × 1μm重构电极切割并网格化。图F电势分布。颜色代表了电势的高低。图G为电流密度分布。颜色代表电流密度的大小。图H至图J分别为E−G的y−z截面。
图4.DCC电极与经典三相电极的电化学性能比较。图A和图B为第二周电压保持率(Rv)分别随S8载量和电极载量变化而变化。Rv定义为厚电极的平均放电电压与原始最薄电极放电电压的比值。图C为厚电极的第一周放电曲线。