崔屹研究团队研发LiAlF4固体薄膜 稳定电池循环

科技的发展对电池的能量密度提出了较高的要求。 锂离子电池 在较宽电化学窗口下工作是一个提高能量密度的有效方法。减小截止电压的限制，虽然电池可以提供更高的能量密度、比容量和电压输出，但是这会对电池的热力学和动力学稳定性带来挑战。对于层状锂过渡金属氧化物尤其如此，当施加更宽的电化学窗口时，电池容量得到改善，但是稳定性受到影响。近日，崔屹研究团队通过原子层沉积法研发一种LiAlF4固体薄膜，这种薄膜具有离子传导性和热力学、动力学稳定性，以及极好的电化学稳定性，克服了上述问题。

图1. （a-c）具有不同ALD循环数的LiF，AlF3和LiAlF4膜的厚度表征。（d-f）在硅晶片上原子沉积 LiF，AlF3和LiAlF4膜的俯视SEM图像。嵌入图像是硅晶片上LiF，AlF3和LiAlF4膜的侧视图。

作者将LiAlF4薄膜直接沉积在极片上，而不是在每个颗粒表面。满足了在宽电化学窗口下工作的要求。作者研究了在2.75-4.50V下，高Ni含量LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC-811）上沉积的涂层效果。在室温下，具有LiAlF4涂层的NMC-811电极在300次循环后维持高于140mAh/g的容量（超过300次循环衰减24%，每循环0.08％）。对于原始的NMC-811，113次循环后容量下降到低于140mAh/g（在113个循环中衰减29%，每个循环为0.26％）。由于高温下的循环稳定性差是高Ni含量层状锂金属氧化物最为显着的缺点。因此，作者对样品进行了高温环境（50℃）的电化学测试。由于在50℃下涂层和NMC-811本身的锂离子传导性都会提高，所以以20c的倍率测试。原始NMC-811电极的容量在100个循环内快速衰减低于100 mAh/g。相比之下，具有ALD LiAlF4涂层的NMC-811电极在100个循环内显示出优异的容量保持率。

图2. （a）室温下原始和 LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的循环性能，电化学窗口为2.75-4.50V。（b，c）第1、10、25和50周期后，原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的EIS表征。（d）第二和第50个循环的原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的电压与容量图。（e）在50℃下，使用2.75-4.50V的电化学窗口，原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的循环性能。

作者使用原子层沉积法在锂离子电池正极上了一层LiAlF4界面层，通过计算表明，基于氟化物的界面层在宽电化学窗口内是热力学稳定的。稳定的锂离子传导界面层提高了高Ni含量NMC-811电极的稳定性，而且没有降低离子传到速度。