Сканирующий электронный микроскоп CIQTEK обеспечивает прорывное исследование твердотельных аккумуляторов в Tsinghua SIGS, опубликованное в журнале Nature

Твердотельные литий-металлические аккумуляторы (ТЛМА) широко признаны источником энергии нового поколения для электромобилей и крупномасштабных накопителей энергии, обеспечивая высокую плотность энергии и превосходную безопасность. Однако их коммерциализация долгое время сдерживалась низкой ионной проводимостью твёрдых электролитов и слабой стабильностью интерфейса «твёрдое тело – твёрдое тело» между электродами и электролитами. Несмотря на значительный прогресс в повышении ионной проводимости, разрушение интерфейса при высокой плотности тока или низких температурах остаётся серьёзным препятствием.

Исследовательская группа под руководством профессора Фэйю Канга, профессора Яньбина Хэ, доцента Вэй Люй и доцента Тинчжэна Хоу из Института исследования материалов Международной аспирантуры Цинхуа в Шэньчжэне (SIGS) в сотрудничестве с профессором Цюаньхуном Яном из Тяньцзиньского университета предложила Новая концепция конструкции пластичного твердоэлектролитного интерфейса (SEI) чтобы решить эту проблему. Их исследование, озаглавленное «Пластичный твердоэлектролитный интерфазный слой для твердотельных аккумуляторов» , недавно был опубликован в Природа .

CIQTEK FE-SEM обеспечивает высокоточную характеристику интерфейса

В этом исследовании исследовательская группа использовала Сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией CIQTEK ( SEM4000X ) для микроструктурная характеристика твердо-твердого интерфейса. FE-SEM от CIQTEK обеспечил высокое разрешение изображения и превосходный контраст поверхности , что позволяет исследователям точно наблюдать эволюцию морфологии и целостность интерфейса во время электрохимического циклирования.

Ковкий SEI: новый путь за пределами «только прочности» Парадигма

Традиционные SEI с высоким содержанием неорганических компонентов, несмотря на механическую жесткость, склонны к хрупкому разрушению при циклировании, что приводит к росту литиевых дендритов и ухудшению межфазной кинетики. Команда из Цинхуа отошла от парадигмы «только прочность», сделав упор на «пластичность» как на ключевой критерий проектирования материалов SEI. Используя отношение Пью (B/G ≥ 1,75) в качестве индикатора пластичности и скрининг с помощью искусственного интеллекта, они определили сульфид серебра (Ag₂S) и фторид серебра (AgF) как перспективные неорганические компоненты с превосходной деформируемостью и низкими барьерами диффузии ионов лития.

Основываясь на этой концепции, исследователи разработали органо-неорганический композитный твердый электролит, содержащий добавки AgNO₃ и наполнители Ag/LLZTO (Li₆.₇₅La₃Zr₁.₅Ta₀.₅O₁₂). В процессе работы аккумулятора реакция замещения in situ преобразовала хрупкие компоненты SEI Li₂S/LiF в пластичные слои Ag₂S/AgF, формируя градиентную структуру SEI «мягкая снаружи, прочная внутри». Такая многослойная конструкция эффективно рассеивает межфазные напряжения, сохраняет структурную целостность в жестких условиях и способствует равномерному осаждению лития.

Рисунок 1. Схематическая иллюстрация экранирования компонентов и функционального механизма пластичного SEI во время циклирования твердотельного аккумулятора.

Рисунок 2. Структурный и композиционный анализ пластичного SEI с высоким содержанием неорганических веществ.

Исключительные электрохимические характеристики

Благодаря этому пластичному SEI твердотельные батареи продемонстрировали замечательную электрохимическую стабильность:

• Более 4500 часов стабильной работы при токе 15 мА·ч·см⁻² и емкости 15 мА·ч·см⁻² при комнатной температуре.

• Более 7000 часов стабильной циклической работы при температуре −30 °C при токе 5 мА·см⁻².

• Полные элементы в паре с катодами LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂ (NCM811) продемонстрировали превосходные характеристики при высоких скоростях (20 °C) и низких температурах.

Рисунок 3. Исключительная пластическая деформируемость и механическая стабильность пластичного SEI с высоким содержанием неорганических веществ.

Прорывная стратегия разработки интерфейсов в твердотельных аккумуляторах

Данное исследование предлагает новую теоретическую и практическую основу для проектирования идеальных структур SEI, что является важным шагом на пути к коммерчески жизнеспособным твердотельным аккумуляторам. Объединяя механическую пластичность с высокой ионной проводимостью, исследование открывает новое направление в разработке твердотельных электролитов и интерфейсных материалов.

Ссылка:
Канг, Ф.Й., Хе, Й.Б., Лю, В., Хоу, Т.З., Ян, К.Х. и др. (2025). Пластичный твёрдый электролитный интерфазный слой для твердотельных аккумуляторов. Nature.
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09675-8