Recent Development on Surface-interface Chemistry of All-solid-state Lithium Batteries

doi:10.7503/cjcu20200643

Abstract

Abstract:

Owing to the potential safety hazards such as electrolyte leakage and flammability of traditional lithium batteries， nonflammable all-solid-state electrolytes are considered to be ideal electrolyte candidates for lithium batteries. However， how to effectively reduce the interface resistance between the solid-state electrolyte and the electrode is the key to the development of all-solid-state lithium batteries. In this article， we review the research progress in surface modification of all-solid-state lithium battery electrodes and electrolytes. The classic methods of improving the interface contact and reducing the interface resistance are also discussed. Based on the traditional methods， new surface modification technologies will provide new ideas for improving the performance of all-solid-state lithium batteries in the future.

Key words: All-solid-state lithium battery, Surface and interface modification, Electrode material, All-solid-state electrolyte

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZOU Junyan, ZHANG Yanyan, CHEN Shi, SHAO Huaiyu, TANG Yuxin. Recent Development on Surface-interface Chemistry of All-solid-state Lithium Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1005.

Figures/Tables 10

References 53

1	Zhang S.， Wang S. F.， Ling S. G.， Gao J.， Wu J. Y.， Xiao R. J.， Li H.， Chen L. Q.， Energy Storage Science and Technology， 2014， 3（4）， 376—394（张舒，王少飞，凌仕刚，高健，吴娇杨，肖睿娟，李泓，陈立泉. 储能科学与技术， 2014， 3（4）， 376— 394）
2	Chen M.， Xiao J.， Hua W.， Hu Z.， Wang W.， Gu Q.， Tang Y.， Chou S.， Liu H.， Dou S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 12076—12083
3	Chen H.， Tu H.， Hu C.， Liu Y.， Dong D.， Sun Y.， Dai Y.， Wang S.， Qian H.， Lin Z.， Chen L.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140， 896—899
4	Huo H.， Wu B.， Zhang T.， Zheng X.， Ge L.， Xu T.， Guo X.， Sun X.， Energy Stor. Mater.， 2019， 18， 59—67
5	Zhang Q.， Yao X. Y.， Zhang H. Z.， Zhang L. Q.， Xu X. X.， Energy Storage Science and Technology， 2016， 5（5）， 659—667（张强，姚霞银，张洪周，张联齐，许晓雄. 储能科学与技术， 2016， 5（5）， 659—667）
6	Thangadurai V.， Narayanan S.， Pinzaru D.， Chem. Soc. Rev.， 2014， 43， 4714—4727
7	Cox E. G.， Structural Inorganic Chemistry， 4th Ed.， Clarendon Press， Oxford， 1951， Vol. 168
8	Zheng B. Z.， Wang H. C.， Ma J. L.， Gong Z. L.， Yang Y.， Scientia Sinica Chimica， 2017， 47（5）， 579—593（郑碧珠，王红春，马嘉林，龚正良，杨勇. 中国科学：化学， 2017， 47（5）， 579—593）
9	Han X.， Gong Y.， Fu K.， He X.， Hitz G. T.， Dai J.， Pearse A.， Liu B.， Wang H.， Rubloff G.， Mo Y.， Thangadurai V.， Wachsman E. D.， Hu L.， Nat. Mater.， 2017， 16， 572—579
10	Wang C.， Gong Y.， Liu B.， Fu K.， Yao Y.， Hitz E.， Li Y.， Dai J.， Xu S.， Luo W.， Wachsman E. D.， Hu L.， Nano Lett.， 2017， 17， 565—571
11	Fu K. K.， Gong Y.， Liu B.， Zhu Y.， Xu S.， Yao Y.， Luo W.， Wang C.， Lacey S. D.， Dai J.， Sci. Adv.， 2017， 3， e1601659
12	Luo W.， Gong Y.， Zhu Y.， Fu K. K.， Dai J.， Lacey S. D.， Wang C.， Liu B. Han X.， Mo Y.， Wachsman E. D.， Hu L.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 12258—12262
13	Tsai C. L.， Roddatis V.， Chandran C. V.， Ma Q.， Uhlenbruck S.， Bram M.， Heitjans P.， Guillon O.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8， 10617—10626
14	Wakasugi J.， Munakata H.， Kanamura K.， J. Electrochem. Soc.， 2017， 164， A1022—A1025
15	Wang C.， Xie H.， Zhang L.， Gong Y.， Pastel G.， Dai J.， Liu B.， Wachsman E. D.， Hu L.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8， 1701963
16	Sharafi A.， Kazyak E.， Davis A. L.， Yu S.， Thompson T.， Siegel D. J.， Dasgupta N. P.， Sakamoto J.， Chem. Mater.， 2017， 29， 7961—7968
17	Li Y.， Chen X.， Dolocan A.， Cui Z.， Xin S.， Xue L.， Xu H.， Park K.， Goodenough J. B.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140， 6448— 6455
18	Wang C.， Xie H.， Ping W.， Dai J.， Feng G.， Yao Y.， He S.， Weaver J.， Wang H.， Gaskell K.， Hu L.， Energy Storage Mater.， 2019， 17， 234—241
19	Wu J. F.， Pu B.， W.， Wang D.， Shi S. Q.， Zhao N.， Guo X.， Guo X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11， 898—905
20	Zhang Z. Z.， Synthesis and Modification of NASICON⁃typed Na3Zr2Si2PO12 Solid State Electrolytes， Zhejiang Sci⁃Tech University， Hangzhou， 2013（章志珍. NASICON结构固态电解质Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的制备与改性，杭州：浙江理工大学， 2013）
21	Zhou W.， Gao H.， Goodenough J. B.， Advanced Energy Materials， 2016， 6（1）， 1501802
22	Fenton D. E.， Parker J. M.， Wright P. V.， Polymer， 1973， 14， 589
23	Takada K.， Acta Materialia， 2013， 61， 759—770
24	Sun Y.， Liu N.， Cui Y.， Nature Energy， 2016， 1， 16071
25	Fang H.， Jena P.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 12， 89—103
26	Park S. S.， Tulchinsky Y.， Dinca M.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 13260—13263
27	Tao C.， Gao M. H.， Yin B. H.， Li B.， Huang Y. P.， Xu G.， Bao J. J.， Electrochim. Acta， 2017， 257， 31—39
28	Thiam A.， Martinez⁃Cisneros C.， Molméret Y.， Iojoiu C.， Sanchez J. Y.， Electrochim. Acta， 2019， 302， 338—343
29	Xie H.， Yang C.， Fu K. K.， Yao Y.， Jiang F.， Hitz E.， Liu B.， Wang S.， Hu L.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8， 1703474
30	Chen L.， Li Y.， Li S.， Fan L.， Nan C.， Goodenough J. B.， Nano Energy， 2018， 46， 176—184
31	Shen B.， Zhang T.， Yin Y.， Zhu Z.， Lu L.， Ma C.， Zhou F.， Yao H.， Chem. Comm.， 2019， 55， 7703—7706
32	Shen B.， Surface Coated Polyethylene Oxide Solid Electrolyte： Fabrication and Performance Study， University of Science and Technology of China， Hefei， 2019（沈豹. 聚氧乙烯固态电解质的表面修饰，合肥：中国科学技术大学， 2019）
33	Wenzel S.， Randau S.， Leichtweiss T.， Weber D. A.， Sann J.， Zeier W.G.， Janek J.， Chem. Mater.， 2016， 28， 2400—2407
34	Schwobel A.， Hausbrand R.， Jaegermann W.， Solid State Ionics， 2015， 273， 51—54
35	Tang Y.， Zhang Y.， Malyi O. I.， Bucher N.， Xia H.， Xi S.， Zhu Z.， Lv Z.， Li W.， Wei J.， Srinivasan M.， Borgna A.， Antonietti M.， Du Y.， Chen X.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1802200
36	Li H.， Mo Y.， Pei N.， Xu X.， Huang X.， Chen L.， J. Phys. Chem. B， 2000， 104（35）， 8477—8480
37	Yao X. Y.， Huang B. X.， Yin J. Y.， Peng G.， Huang Z.， Gao C.， Liu D.， Xu X. X.， Chinese Physics B， 2016， 25（1）， 018802
38	Okumura T.， Nakatsutsumi T.， Ina T.， Orikasa Y.， Arai H.， Fukutsuka T.， Iriyama Y.， Uruga T.， Tanida H.， Uchimoto Y.， Ogumi Z.， J. Mater. Chem.， 2011， 21（27）， 10051—10060
39	Kato Y.， Hori S.， Saito T.， Suzuki K.， Hirayama M.， Mitsui A.， Yonemura M.， Iba H.， Kanno R.， Nat. Energy， 2016， 1， 16030
40	Fan Q.， Yang S.， Liu J.， Liu H.， Lin K.， Liu R.， Hong C.， Liu L.， Chen Y.， An K.， Liu P.， Shi Z.， Yang Y.， J. Power Sources， 2019， 421， 91—99
41	Park K.， Yu B. C.， Jung J. W.， Li Y.， Zhou W.， Gao H.， Son S.， Goodenough J. B.， Chem. Mater.， 2016， 28， 8051— 8059
42	Han F.， Yue J.， Chen C.， Zhao N.， Fan X.， Ma Z.， Gao T.， Wang F.， Guo X.， Wang C.， Joule， 2018， 2， 497—508
43	Chen X.， He W.， Ding L. X.， Wang S.， Wang H.， Energy Environ. Sci.， 2019， 12， 938—944
44	Zou J.， Trewin A.， Ben T.， Qiu S.， Angew. Chem.， 2020， 132， 779—784
45	Zhang Y.， Tang Y.， Deng J.， Leow W. R.， Xia H.， Zhu Z.， Lv Z.， Wei J.， Li W.， Persson C.， Malyi O. I.， Antonietti M.， Chen X.， ACS Mater. Lett.， 2019， 1， 519—525
46	Zhou W.， Wang S.， Li Y.， Xin S.， Manthiram A.， Goodenough J. B.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 9385—9388
47	Chen X.， He W.， Ding L. X.， Wang S.， Wang H.， Energy Environ. Sci.， 2019， 12， 938—944
48	Pan Q.， Zheng Y.， Kota S.， Huang W.， Wang S.， Li C. Y.， Nanoscale Adv.， 2019， 1， 395—402
49	Wan Z.， Lei D.， Yang W.， Liu C.， Shi K.， Hao X.， Shen L.， Lv W.， Li B.， Yang Q.， Kang F.， He Y.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1805301
50	Lei Y. Q.， New Energy Material， Tianjin University Press， Tianjin， 2000（雷永泉. 新能源材料，天津：天津大学出版社， 2000）
51	Ogawa M.， Kanda R.， Yoshida K.， Uemura T.， Harada K.， J. Power Sources， 2012， 205（205）， 487—490
52	Zhang Z.， Chen S.， Yang J.， Wang J.， Yao L.， Yao X.， Cui P.， Xu X.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（3）， 2556— 2565
53	Cai W.， Yan C.， Yao Y.， Xu L.， Xu R.， Jiang L.， Huang J.， Zhang Q.， Small Structures， 2020， 1， 2000010

[1]	HOU Congcong, WANG Huiying, LI Tingting, ZHANG Zhiming, CHANG Chunrui, AN Libao. Preparation and Electrochemical Properties of N-CNTs/NiCo-LDH Composite [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220351.
[2]	LIU Ben,ZHANG Xingying,CHEN Shaoyun,HU Chenglong. Preparation and Electrochemical Energy Storage Performance of One Dimensional Orderly Polyaniline Nanowires Array^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(3): 498.
[3]	LI Long,HU Hongli,DING Shujiang. Facile Synthesis of Scale-like CoMn₂O₄ Nanosheets on Reduced Graphene Oxide for Supercapacitors^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(9): 2010.
[4]	NIE Guangdi, ZHU Yun, TIAN Di, WANG Ce. Research Progress in the Electrospun Nanofiber-based Supercapacitor Electrode Materials^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(7): 1349.
[5]	WANG Cunguo, PAN Xuan, ZHANG Lei, ZHU Mengkang, LI Dekai, DIAO Lingbo, LI Weiyan. Preparation and Properties of the High Capacity Si@PVP-GCB Core-shell Composite Anode Material Used in Li-ion Batteries^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(2): 368.
[6]	CHEN Chunyang, YU Fei, ZHOU Huiming, CHEN Junhong, MA Jie. Synthesis of Three-dimensional Graphene Electrodes and Their Applications in Capacitive Deionization^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(12): 2516.
[7]	FU Yu, SUN Li, TIAN Chun-Gui, LIN Hai-Bo. Synthesis and Capacitive Properties of C/MWCNTs Composites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2013, 34(10): 2389.
[8]	WU Juan, WU Xue-Yan, WEI Xiao, WANG Kai-Xue, CHEN Jie-Sheng. Synthesis and Supercapacitance Performance of PANI/MCFs Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(07): 1540.
[9]	WANG Huan-Lei, GAO Qiu-Ming*. Template Synthesis, Activation and Energy Storage Application of Porous Carbon Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(3): 462.
[10]	CHEN Xiao-Mei, GUAN Xiang-Feng, LI Li-Ping, LI Guang-She*, ZHENG Jing. Bubble Template Synthesis of MFe2O4(M=Co,Zn) Hollow Microspheres and Their Application in Li-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(3): 624.
[11]	ZHANG Jin-Na, ZHAO Qing-Liang*, YOU Shi-Jie, ZHANG Guo-Dong. Power Generation in Bio-cathode Microbial Fuel Cell with Different Cathode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(1): 162.
[12]	WANG Mei-Han, ZHANG Lian-Zhong, SUN Li-Xian, ZHANG Yao, XU Fen, TAN Zhi-Cheng, YUAN Hua-Tang, ZHANG Tao . Preparation and Properties of Mg_1.75Al_0.25Ni_1-xCr_x(0 ≤x≤ 0.2) Alloys [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2005, 26(10): 1877.
[13]	XIA Xi, LI Juan, LI Qing-Wen . Synthesis and Electrochemical Properties of Nanophase MnO₂by Solid-phase Reaction(Ⅱ)--Electrochemical Properties of Nanophase γ-MnO₂ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 1999, 20(10): 1584.