Advanced Energy Materials: 采用磁控溅射在 Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 与Li金属之间构建多功能高稳定界面

随着动力与储能领域对锂电池的能量密度、循环寿命和安全性能要求的进一步提高,无机固态电解质由于其宽电化学窗口、不可燃等特性受到人们的广泛关注。其中Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP)由于其高离子电导率、低成本以及在空气中的优异稳定性,成为在全固态锂电池中发展前景良好的一种无机固态电解质。然而,LATP和锂金属负极之间较大的界面阻抗和严重的副反应限制了该材料在固态锂离子电池中的应用。研究表明对LATP和锂金属的界面进行改进,如构建聚合物修饰层、滴加电解液以及采用原子层沉积(ALD)的方法在LATP表面沉积Al2O3能够一定程度上改善上述问题。然而,由于锂枝晶生长和界面阻抗大的问题,使得基于LATP的固态电池的常温循环性能不够理想。

近日,清华大学深圳国际研究生院贺艳兵研究组针对LATP固态电解质存在的上述问题,采用磁控溅射的方法在LATP的表面可控构建一层超薄均匀的ZnO层(ZnO @ LATP),能够有效改善界面阻抗大、界面不稳定和锂枝晶生长等多重问题,显著提高了固态电池的循环性能。

研究发现超薄ZnO层与Li金属负极通过原位反应形成多功能界面层(Zn+Li2O),形成的界面层使ZnO和锂金属之间由点接触变成面接触,明显增加了LATP和锂金属负极的兼容性,能够使界面电阻从80554Ω降至353Ω,过电位从1 V降至20 mV。此外,Zn + Li2O界面层能够有效抑制LATP和Li的副反应,且形成的界面层具有较低的电子电导性,此界面层协同致密结构LATP固态电解质,能够有效抑制锂金属负极枝晶的生长。同时构建形成的多功能界面层具有优异的稳定性,Li/ZnO@LATP@ZnO/Li对称电池在0.05 mA cm-2的电流密度下可以稳定循环超过2000小时而不短路,Li/ZnO@LATP/LiFePO4电池在0.1C下能够稳定循环200次。这项工作对改善基于LATP固态电解质的界面阻抗和不稳定性以及实现高性能全固态锂离子电池的制备具有借鉴意义。

相关论文以“Constructing Multifunctional Interphase between Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 and Li Metal by Magnetron Sputtering for Highly Stable Solid-State Lithium Metal Batteries”为题在线发表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.201901604)