马越/王洪强AFM：240秒！超快激光诱导CEI用于高压PEO基固态电池

基于聚环氧乙烷（PEO）的固态聚合物电解质有望与全固态电池（ASSB）中的高容量金属负极具有界面相容性。然而，电极-电解质界面处的寄生欧姆电阻、高负载正极的离子通路不足及高压下PEO的氧化倾向严重阻碍了原型构建。

在此，西北工业大学马越教授、王洪强教授等人提出了一种借助脉冲激光束引起的局部温度梯度的简便正极/电解质界面（CEI）形成技术，可在240秒内实现超高效正极改性。

首先，作者将含有典型CEI添加剂的碳酸二乙酯（DEC）溶剂作为CEI前体滴在正极上。在预处理过程中，脉冲激光束会透过有机溶液并被正极颗粒和炭黑光热吸收。电极利用光吸收和晶格振动过程中产生的激发电子-空穴对的弛豫过程，将吸收的激光能量转换为热能。

此外，有限元分析还用于可视化DEC/电极界面上的瞬时温度变化。由于超高瞬时能量密度，40 mJ pulse^-1 cm^-2的单个10 ns激光脉冲会在正极表面30 nm内产生巨大的温度梯度，这足以使所有CEI前体分解。然后，热量将沿垂直方向传递，同时多孔电极内的DEC溶剂蒸发，从而避免了过多的热量积累。

图1. 脉冲激光照射产生的CEI形成示意图及表征

通过成分筛选，定制的CEI可能包含源自磷酸三（三甲基甲硅烷基）酯（TMSP）的富磷物质，且通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和高分辨率TEM证实了活性颗粒之间和电极水平的一致性。即使与原始的基于PEO的固态聚合物电解质直接组装，优化的NMC-811正极（6.2 mg cm^-2）也能实现高达2 C的稳定4.3 V高压循环并将漏电流降低43.2%。

正如高温、原位相位跟踪和差示扫描量热法（DSC）所证明的那样，激光处理的电极进一步揭示了长期循环时层状到尖晶石相变的减轻及55 ℃时自放电过程的减少（75.5%），这与PEO氧化的抑制和高温下氧气释放的减少相呼应。与正极配方（活性材料和辅助添加剂）的经验优化相比，这种非聚焦激光策略具有普遍适用性、可定制性和构建坚固CEI薄膜的高效性，从而为实现实用的高电压PEO基ASSB开辟了途径。

图2. 激光诱导的CEI改性在高压下稳定正极/PEO界面的有效性评估

Ultrafast Laser-Induced Cathode/Electrolyte Interphase for High-Voltage Poly(Ethylene Oxide)-Based Solid Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202210465

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