精準電鏡觀測揭示空間電荷層對全固態鋰電池真實影響

中國科學技術大學教授馬騁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，并發現這一現象的微觀機理與過往幾十年的認知截然不同。3月24日，相關研究成果發表于《自然-通訊》。

相比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，空間電荷層可以產生于各種固-固界面附近。只有深入理解該現象對離子傳輸的影響，才有可能有針對性的進行界面優化。在之前的文獻報道中，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于離子遷移，而鋰離子濃度低則不利于離子遷移。但是，這一假說并未經過實驗驗證。

在實際的材料和電池中，空間電荷層究竟會對離子傳輸產生怎樣的影響？馬騁團隊發揮球差校正透射電鏡具有原子級分辨率的優勢，以鋰鑭鈦氧這一經典固態電解質的晶界作為研究對象，揭示了空間電荷層對其離子傳輸的影響。

在文獻報道中，研究者普遍認為該材料之所以會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。不同于這一認知，馬騁團隊發現，晶界附近的鋰離子濃度反而高于材料中的平均水平，并且精準確定了這些多余鋰離子在晶格中的位置。

在此基礎上，研究人員結合理論計算和電化學測試，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。這一發現修正了研究者關于空間電荷層的認知，也為全固態電池的界面優化提供了指導法則。

審稿人稱該工作“具有重大新意”，并且認為“（該工作所揭示的）晶界附近細致的原子結構信息對于理解固態電解質的物理性質和性能必不可少”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37313-2