鋰離子電池極大便利了人們的生活，但目前基于石墨負極的鋰離子電池存在安全性能差、能量密度低等缺陷，無法滿足日益增長的使用需求。鋰金屬可提供比石墨負極高十倍的理論比容量，但存在枝晶易生長導致的電池短路問題。因此，采用固體電解質取代易燃的有機液體電解質來增強電池安全性的方案得到了研究人員的廣泛關注。石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）具有高的離子電導率、寬的電化學窗口和良好的鋰金屬穩定性，被認為是最具應用潛力的固體電解質之一。然而，傳統的電解質界面改性層并不能完全阻擋電子從集流體傳輸到固態電解質內部，這會導致鋰枝晶的形核析出和生長滲透。陶瓷基石榴石電解質與正極之間固-固接觸界面帶來的高阻抗也是另一個嚴重問題。
針對上述問題，上海科技大學物質科學與技術學院劉巍課題組通過原位轉化反應在石榴石固體電解質負極側進行界面修飾，抑制電子在界面處的泄露。同時篩選出更加穩定的C4min-TFSI離子液體，浸潤固態電池正極界面。二者協同作用，實現了長壽命高性能的固態鋰金屬電池，為下一代新型固態電池的開發提供了新的思路。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。
圖1?石榴石基固態鋰金屬電池示意圖及金屬Li與LLZTO固-固電解質界面示意圖。（a）Li|LLZTO|NCM電池結構示意圖。（b，c）Li|LLZTO-KF界面（b）和Li|LLZTO界面（c）示意圖，由于有KF/LiF電子屏蔽緩沖層，Li|LLZTO負極界面接觸良好，不易形成鋰枝晶。
科研人員在石榴石電解質Ta摻雜LLZO（LLZTO）表面沉積氟化鉀修飾層，基于氟化鉀在高溫下與熔融鋰金屬的原位轉化反應，在石榴石電解質表面構建KF/LiF電子屏蔽層，避免電子從集流體轉移到固體電解質內部，降低體系的電子電導率，抑制鋰枝晶的生長。同時，篩選出更安全穩定的C4min-TFSI離子液體，取代易燃易爆的電解液，減少副反應的發生，大大提升體系的安全性和循環穩定性，在2C倍率下穩定循環3500圈，實現了高達99.99%的平均庫倫效率。此外，研究人員采用DFT計算和有限元模擬來為實驗提供理論支撐。DFT計算結果顯示，Li+在KF|LLZTO和LiF|LLZTO界面處具有低的遷移能壘（0.80 eV和1.08 eV），表明Li離子可以在界面上的快速遷移；同時在Li|KF界面和Li|LiF界面分別獲得了-4.41 eV和-2.08 eV的靜電勢壘,這顯示界面處具有很好的電子屏蔽特性。有限元模擬分析證實了KF/LiF界面處具有更加均勻的電流密度分布，不易產生局部熱點，有利于Li+的均勻分布，有效抑制了鋰枝晶的形成。
上海科技大學為本研究的第一完成單位，物質學院2024屆博士畢業生張昶為文章第一作者，上海科技大學劉巍教授為文章通訊作者，上海科技大學于奕教授、米啟兮教授，上海交通大學林天全教授為本項工作的合作者。此外，該工作還得到了上海科技大學上海市高分辨電子顯微學重點實驗室和分析測試平臺的大力支持。
論文題目：An electron-blocking interface for garnet-based quasi-solid-state lithium-metal batteries to improve lifespan
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49715-x
來源：上海科技大學
原文鏈接：https://www.shanghaitech.edu.cn/2024/0705/c1001a1098156/page.htm
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