全固态电池空间电荷层微观机理揭示

科技日报记者 吴长锋

记者28日从中国科学技术大学获悉，该校马骋教授团队通过球差校正电镜的原子尺度观测，研究了空间电荷层对全固态锂电池中离子传输的影响，并发现这一现象的微观机理和过往几十年的认知截然不同。研究成果发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

相比于目前的商业化锂离子电池，全固态锂电池具有更好的安全性和更大的能量密度提升空间。在这种电池中，空间电荷层可以产生于各种固—固界面附近。之前研究者普遍认为，空间电荷层对离子迁移的影响只由锂离子的浓度决定：锂离子浓度高则有利于离子迁移，锂离子浓度低则不利于离子迁移。为了透彻理解空间电荷层对离子传输的实际影响，需要对材料进行原子尺度的直接观测。

研究人员以经典固态电解质的晶界作为研究对象。在此前的认知中，该材料之所以具有过大的晶界电阻，是因为空间电荷层在晶界附近形成了锂离子浓度极低的区域，从而限制了离子迁移效率。而马骋团队通过球差校正电镜观测发现，晶界附近的锂离子浓度反而高于材料中的平均水平，并精准确定了这些多余锂离子在晶格中的位置。结合理论计算和电化学测试，他们发现这种晶体结构能实现相当高效的离子传输，和文献中被普遍接受的假想截然相反。这一发现修正了关于空间电荷层的认知，也为全固态电池的界面优化提供了指导法则。

（中国科大供图）