近日，中国海洋大学材料科学与工程学院在固态电池研究领域取得新进展，相关论文《高效离子渗透网络实现高负载全固态正极》(Efficient Ion Percolating Network for High-Performance All-Solid-State Cathodes)发表在国际顶尖期刊Advanced Materials（IF：29.4）。材料科学与工程学院2022级博士研究生程广增为第一作者，吴敬一教授和王焕磊教授为共同通讯作者，中国海洋大学材料科学与工程学院为第一通讯单位。
全固态锂电池（ASSLBs）采用固态电解质（SSE），具备高能量密度的固有优势，被视为未来电化学储能器件中最具前景的选择之一。尽管如此，目前尚未充分挖掘ASSLBs快速充放电的动力学潜力，而且面临着正极负载量低和倍率性能差等严峻挑战，这些问题严重制约了全固态电池的大规模应用。研究表明，虽然高离子电导率的SSE可以提升ASSLBs的电化学性能，但固态正极内部的离子传输同样至关重要，尤其是考虑到电池运行过程中，由SSE、正极活性物质（CAM）颗粒和孔隙物理混合形成的固态正极中离子渗透的复杂性。因此，通过微观结构的调节来确保固态正极内部离子的高效渗透，对于构建性能优越的ASSLBs具有重要意义。
基于此，研究团队提出了一种磁场诱导的方法来控制Li0.35La0.55TiO3纳米线（LLTO NWs）在固态复合正极中的垂直取向，使离子在只有1 vol% LLTO NWs的高负载正极中有效渗透。组装测试了LiFePO4（LFP）为CAM的全固态电池，在60 ℃下以2 C和5 C的电流密度进行放电，其可逆放电容量分别为151和100 mAh g-1。令人印象深刻的是，电池在2 C的电流密度下，室温下的比容量达到了108 mAh g-1。此外，即使LFP的负载量达到20 mg cm-2，电池的面积容量也能够达到3 mAh cm-2。进一步的研究表明，该复合正极在使用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为CAM时仍然具有较高的倍率和容量保持能力，这肯定了低迂曲度离子渗透网络在正极中的通用性，并为复合正极的设计提供了新的视角。该研究工作实现了正极内离子的快速传输和电池的高能量密度，为实用的高性能全固态锂离子电池提供了一个有前景的解决方案。
吴敬一教授主要从事新型复合材料的设计及其在下一代二次电池中的应用，目前研究聚焦在水系锌电池、锂金属电池、固态电池。自2022年以青年英才工程第一层次引进入学校以来，在国家自然科学基金青年基金、山东省泰山学者青年专家、中国海洋大学青年英才工程的资助下，已经以中国海洋大学为第一单位在Advanced Materials (2023)、Advanced Materials (2022)、eScience (2023)、Energy & Environmental Materials (2023)、Small Methods (2023)、Small (2023)、SusMat (2022)等高水平期刊上发表了一系列成果。本次在Advanced Materials上发表的研究成果是该研究团队在人才培养和国内外科研合作方面取得的又一重要进展。
文/图：程广增
附：论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202312927
