鋰離子電池極大便利了人們的生活，但目前基于石墨負(fù)極的鋰離子電池存在安全性能差、能量密度低等缺陷，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的使用需求。鋰金屬可提供比石墨負(fù)極高十倍的理論比容量，但存在枝晶易生長(zhǎng)導(dǎo)致的電池短路問(wèn)題。因此，采用固體電解質(zhì)取代易燃的有機(jī)液體電解質(zhì)來(lái)增強(qiáng)電池安全性的方案得到了研究人員的廣泛關(guān)注。石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）具有高的離子電導(dǎo)率、寬的電化學(xué)窗口和良好的鋰金屬穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的固體電解質(zhì)之一。然而，傳統(tǒng)的電解質(zhì)界面改性層并不能完全阻擋電子從集流體傳輸?shù)焦虘B(tài)電解質(zhì)內(nèi)部，這會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的形核析出和生長(zhǎng)滲透。陶瓷基石榴石電解質(zhì)與正極之間固-固接觸界面帶來(lái)的高阻抗也是另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉巍課題組通過(guò)原位轉(zhuǎn)化反應(yīng)在石榴石固體電解質(zhì)負(fù)極側(cè)進(jìn)行界面修飾，抑制電子在界面處的泄露。同時(shí)篩選出更加穩(wěn)定的C4min-TFSI離子液體，浸潤(rùn)固態(tài)電池正極界面。二者協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命高性能的固態(tài)鋰金屬電池，為下一代新型固態(tài)電池的開發(fā)提供了新的思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

圖1?石榴石基固態(tài)鋰金屬電池示意圖及金屬Li與LLZTO固-固電解質(zhì)界面示意圖。（a）Li|LLZTO|NCM電池結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhì)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(zhuǎn)化反應(yīng)，在石榴石電解質(zhì)表面構(gòu)建KF/LiF電子屏蔽層，避免電子從集流體轉(zhuǎn)移到固體電解質(zhì)內(nèi)部，降低體系的電子電導(dǎo)率，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。同時(shí)，篩選出更安全穩(wěn)定的C4min-TFSI離子液體，取代易燃易爆的電解液，減少副反應(yīng)的發(fā)生，大大提升體系的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性，在2C倍率下穩(wěn)定循環(huán)3500圈，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99.99%的平均庫(kù)倫效率。此外，研究人員采用DFT計(jì)算和有限元模擬來(lái)為實(shí)驗(yàn)提供理論支撐。DFT計(jì)算結(jié)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(shí)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(shì)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(shí)了KF/LiF界面處具有更加均勻的電流密度分布，不易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，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(xué)為本研究的第一完成單位，物質(zhì)學(xué)院2024屆博士畢業(yè)生張昶為文章第一作者，上海科技大學(xué)劉巍教授為文章通訊作者，上海科技大學(xué)于奕教授、米啟兮教授，上海交通大學(xué)林天全教授為本項(xiàng)工作的合作者。此外，該工作還得到了上海科技大學(xué)上海市高分辨電子顯微學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和分析測(cè)試平臺(tái)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(lái)源：上海科技大學(xué)

原文鏈接：https://www.shanghaitech.edu.cn/2024/0705/c1001a1098156/page.htm

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