雖然超越截止電位的極限能夠使電池提供更高的能量密度同時(shí)提高比容量以及更高的輸出電壓，但是這也使電池在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題上面臨更大的挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于層狀鋰過(guò)渡金屬氧化物，采用更寬的電化學(xué)窗口，雖然容量可以提高但是穩(wěn)定性卻下降了。

在材料研究領(lǐng)域，由于不穩(wěn)定性的問(wèn)題困擾著電極，電解液以及它們的界面的發(fā)展，所以在極端電壓下運(yùn)行將帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，界面會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生退化，所以為了保持長(zhǎng)久的循環(huán)壽命，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的界面層是急需的。在界面處累積的副產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致更高的內(nèi)阻，這最終會(huì)導(dǎo)致電池的失效。

在正極領(lǐng)域，因?yàn)槠浞€(wěn)定性已經(jīng)成為局限電池安全運(yùn)行幾十年的重要因素，因此發(fā)展穩(wěn)定的界面層在近年來(lái)變得越來(lái)越重要。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了許多方法，但是，能夠同時(shí)滿足所有主要需求包括，電化學(xué)惰性，化學(xué)穩(wěn)定性，鋰離子電導(dǎo)率，高均勻分布的界面層仍然沒(méi)有出現(xiàn)。

近日，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的崔屹教授等人通過(guò)采用原子層沉積技術(shù)制備了一種具有高穩(wěn)定性和令人滿意的離子電導(dǎo)率的LiAlF4固體薄膜，這種材料的性能優(yōu)于通常使用的LiF和AlF3。 LiAlF4 預(yù)測(cè)的穩(wěn)定電化學(xué)窗口大約是在2.0 ± 0.9到5.7 ± 0.7 V vs Li+/Li。

同時(shí)，Ni含量高的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 電極和LiAlF4界面層的復(fù)合材料在2.75−4.50 V vs Li+/Li這較寬電化學(xué)窗口下實(shí)現(xiàn)了極佳的穩(wěn)定性。

(a)計(jì)算得到的Li3N, Li2O, LiF, LiAlO2, Li3PO4, 和LiAlF4穩(wěn)定的電化學(xué)窗口

(b) 一些界面材料挑選標(biāo)準(zhǔn)(化學(xué)穩(wěn)定性，電化學(xué)穩(wěn)定性，鋰離子電導(dǎo)率)

(a−c) LiF, AlF3, 和LiAlF4不同ALD循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的薄膜厚度

(d−f) 在硅晶圓表面原子層沉積 LiF, AlF3, 和LiAlF4膜的SEM圖；插圖是在硅晶圓表面原子層沉積 LiF, AlF3, 和LiAlF4膜的橫截面圖。

(a) ALD制備的LiF, AlF3, 和 LiAlF4膜的XPS表征

(b) ALD制備的LiAlF4膜深度剖面.

(c−e) LiF, AlF3,和LiAlF4膜的Li 1s 峰, Al 2p 峰, 和F 1s 峰的XPS圖

(a) 室溫下不同厚度的LiAlF4膜的阻抗圖，插圖是阻抗特性的的設(shè)置

(b) 圖a放大的阻抗圖譜，插圖是等效電路

(c) 不同溫度的阻抗特性

(d) LiAlF4膜和的電導(dǎo)率隨溫度的變化圖以及已經(jīng)報(bào)道的采用蒸發(fā)制備的LiF和AlF3膜，原子層沉積技術(shù)制備的LiAlO2膜和LiPON膜的鋰離子電導(dǎo)率

(a)分別在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4，LiF，AlF3以及未沉積的NMC-811電極在室溫下2.75−4.50 V vs Li+/Li的電化學(xué)窗口下的原始倍率性能

(b, c) 分別在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4，LiF，AlF3以及未沉積的NMC-811電極進(jìn)行5次和35次循環(huán)的電壓與容量圖

(a) 室溫下在2.75−4.50 V vs Li+/Li的電化學(xué)窗口下未沉積的NMC-811電極和在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4的循環(huán)特性

(b, c) 未沉積的NMC-811電極和在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4在循環(huán)1次，10次，25次和50次后的阻抗特性

(d) 未沉積的NMC-811電極和在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4在循環(huán)2次，50次后的電壓與容量圖

(e) 未沉積的NMC-811電極和在NMC-811電極上進(jìn)行ALD 20次循環(huán)的LiAlF4在2.75−4.50 V vs Li+/Li.的電化學(xué)窗口下提高溫度(50℃)后的循環(huán)特性

研究人員設(shè)計(jì)并采用原子層沉積技術(shù)合成了一種應(yīng)用于鋰離子電池正極的具有穩(wěn)定而且鋰離子電導(dǎo)率高的LiAlF4界面層材料。計(jì)算結(jié)果表明在一個(gè)寬的電化學(xué)窗口內(nèi)氟化物界面層是熱力學(xué)穩(wěn)定的。穩(wěn)定而且具有高鋰離子電導(dǎo)率的界面層能夠提高Ni成分很高的NMC-811電極的穩(wěn)定性而且沒(méi)有損失倍率性能。

如果通過(guò)合理的材料設(shè)計(jì)在電極和電解液之間能夠存在一種穩(wěn)定的界面材料，那么具有高能量密度的，更長(zhǎng)的循環(huán)壽命的鋰離子電池可能會(huì)有更多的應(yīng)用，比如消費(fèi)電子，電動(dòng)汽車甚至是電網(wǎng)等。