先进玻璃材料创新团队在全固态锂电池领域取得新进展

全固态锂离子电池（All‐Solid‐State Lithium-ion Batteries，ASSLIBs）因其高能量密度与高安全性，被公认为下一代储能技术的重要发展方向。其中，NASICON 型LATP 固态电解质以优异的室温离子电导率、宽电压窗口及良好的空气稳定性而备受关注。然而，离子电导率偏低及电解质/电极界面不稳定等问题，仍严重制约其实际应用。针对上述挑战，材料学部先进玻璃材料创新团队联合丹麦奥尔堡大学岳远征院士提出“玻璃电池”新概念，成功将微晶玻璃电解质与钒磷硼酸盐玻璃电极进行协同耦合，构筑出高性能玻璃固态锂电池。该电解质基于铝磷酸盐玻璃体系（LATP），经组分调控和可控晶化策略进行性能优化，显著提升了其离子电导率（1.15×10^-4S·cm^-1）并降低了Li⁺扩散活化能（0.23 eV）。更重要的是，玻璃电极和微晶玻璃电解质之间具有高度的“微观结构相似相融性”，构筑出离子/电子快速传输的兼容界面。以金属锂为负极组装的玻璃固态电池在0.1 A·g^-1电流密度下初始放电容量达907 mA·h·g^-1，循环500圈后仍可保持228 mA·h·g^-1，并兼具优越的倍率性能。本工作有效解决了固态电池中电解质/电极界面不兼容的关键难题，为高安全、长寿命全固态电池的界面工程提供了全新范式。也是我们提出的“玻璃电池”概念迈向实际应用的关键一步。

图1. 所制备LATP电解质的结构表征和离子传输性能。（A）LATP-Sx前躯体玻璃的XRD图谱。（B）经900^oC热处理2小时LATP-Sx微晶玻璃的XRD图。插图为(104)和(113)晶面衍射峰的局部放大图。（C）Li_1.5Al_0.5Ti_1.5(PO₄)₃（左）与Li_1.5Al_0.5Sn_xTi_1.5-x(PO₄)₃（右）的晶体结构示意图。（D）LATP与LATP-S4的XPS图谱。（E）LATP-S4电解质中Sn 3d_5/2的高分辨XPS图谱、（F1）LATP-S4微晶玻璃的SEM图像，（F2–F6）为对应元素分布图。（G）室温下LATP-Sx微晶玻璃的EIS谱。（H）LATP-Sx和（I）LATP-S4-1000-y微晶玻璃的离子电导率与相应的活化能。

图2. LATP-S0-1000-10与LATP-S4-1000-10电解质的锂沉积/剥离行为对比。（A）LSV曲线，（B）EIS谱，（C）基于LATP-S0-1000-10和LATP-S4-1000-10电解质的Li//Li对称电池恒流循环性能，（D）Li//LATP-S4-1000-10//Li电池在不同电流密度下的时间-电压曲线。

 图3.“玻璃态锂离子电池”的制备及其电化学性能。（A）全固态玻璃态电池结构示意图。（B）Li//LATP-S4-1000-10//VPB玻璃态电池分别在0.1和1 A·g^-1电流密度下的长循环性能。（C）Li///LATP-S4-1000-10//VPB玻璃态电池分别在0.1、0.2、0.5、1、2和0.1 A·g^-1电流密度下的倍率性能。（D）Li//LATP-S4-1000-10//VPB固态电池在0.1 A·g^-1下的循环性能。

图4. LATP-S4-1000-10电解质与VPB玻璃电极高兼容性界面示意图及充放电循环前后的SEM图像。

相关成果以“A High-Capacity and Ultrastable All-Solid-State Lithium Battery Made by Coupling Glass-Ceramic Electrolyte With Glassy Electrode”为题在国际著名期刊《Interdisciplinary Materials》（一区，TOP期刊，IF：31.6）上在线发表，并被选为封面文章。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部2022级硕士生郑凯为第一作者，材料学部先进玻璃材料创新团队张艳飞教授和丹麦奥尔堡大学岳远征教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目、济南市人才发展专项和山东省泰山学者青年专家项目等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/idm2.70035