全固态锂电池以其高安全性和高能量密度有望成为超越传统液态锂离子电池的下一代电池技术。然而，电极材料（包括正极和负极）与固态电解质的界面不稳定性一直是困扰固态电池发展的瓶颈所在。例如，正极/电解质界面不稳定性诱发的层状氧化物正极（主流正极材料）结构退化是限制全固态锂电池性能稳定性的关键之一。特别是，在产业界不断提高层状氧化物正极中镍含量的背景下（电池能量密度与其镍含量成正比），高镍层状氧化物正极材料的本征电化学不稳定性导致的电池性能衰减显著加剧。在此背景下，深入认识正极/固态电解质界面不稳定性诱发的电池材料失效机制对于全固态电池材料的优化设计具有重要意义。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部王春阳研究员与加州大学尔湾分校忻获麟教授团队基于前期液态锂电正极材料失效机制的研究（Nature Materials,2023;Matter,2021,2023;Nano Letters,2021,2021,2022,2023），在全固态电池正极材料的失效机制研究方面取得重要突破，利用人工智能辅助的透射电镜技术揭示了全固态锂电层状氧化物正极材料的原子尺度结构退化机制，并发现其与传统液态电池中的退化机制有着显著差别。研究成果以 “Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries”为题发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
研究表明，全固态电池中的晶格失氧和局部应力耦合驱动的表面“晶格碎化”以及脱锂诱发的剪切相变共同导致了层状氧化物的结构性能退化。表面“晶格碎化”涉及纳米级多晶岩盐相的形成，这一失效模式系首次在层状氧化物正极材料中被发现。该研究还发现了区别于传统锂离子电池中层状正极的剪切界面新构型和大尺寸O1相的形成。这一研究拓展了层状氧化物正极的相变退化理论，有望为面向全固态电池的正极材料和正极/电解质界面优化设计提供重要理论指导。同时，该工作也凸显了先进电子显微学表征技术在解决能源领域核心科学问题中扮演的重要角色。
图1. 全固态锂电池层状氧化物正极的原子尺度失效机制总结
图2. 层状氧化物正极中电化学脱锂（充电）诱导的剪切相变
图3. 层状氧化物正极中剪切相界面结构的精细原子构型分析
图4. 界面电化学反应诱导的层状氧化物表面“晶格碎化”
