Advanced Functional Materials:石榴石型固体电解质的本征亲锂性可实现大电流锂循环

固态锂电池有望解决传统锂离子电池中比能量与安全性之间的矛盾被认为是下一代锂电池的主要发展方向之一。固体电解质为其中的关键材料。在诸多固体电解质材料体系中,石榴石型固体电解质(LLZO)以其高的离子电导率、良好的化学和电化学稳定性而备受关注。然而由于同样是固体材料的LLZO和Li界面阻抗过高以及固态电解质在循环过程中锂枝晶的形成和生长是急需解决的难题。在目前文献中报道的相关工作往往是基于固态电解质表面修饰而进行的研究,忽略了金属锂表面杂质所带来的影响。

上海交通大学材料科学与工程学院段华南等人通过锂负极表面处理获得了Li和LLZO之间优异的润湿性能。该团队首次证明了金属锂表面的氧化层对界面性能的影响,金属锂和LLZO两者的表面状态共同决定着界面的性能,通过去除金属锂表面的杂质层,锂和LLZO可实现本征亲锂性。室温下,LLZO/Li界面电阻仅为6.95 ohm cm2;在0.1 mA cm-2电流密度下,锂锂对称电池实现了950小时的长时间循环。优异的界面润湿性也将临界电流密度(CCD)提高至13.3 mA cm-2,高出同行一个数量级,且电化学恒流循环过程没有出现任何短路的迹象。同时结合飞行时间-二次离子质谱(TOF-SIMS)等多种先进表征手段以及第一性原理计算(与上海交通大学密歇根学院朱虹老师合作),对其机理做出了解释,计算结果表面有无掺杂和不同杂质层对润湿性的影响,对锂的润湿性顺序依次是LLZT> LLZO> Li2CO3> Li2O,说明Ta掺杂有利于提高润湿性,再次证明了石榴石型电解质本征亲锂性。

此工作是LLZO/Li界面研究的一次突破,显著提高了此界面的稳定性和电流密度,在固体电解质的应用上迈出重要的一步。相关工作以“Intrinsic lithiophilicity of Li-garnet-electrolytes enabling high-rate lithium cycling”为题发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201906189)。该工作得到了国家自然科学基金(11304198和51972211),国家重点研发计划(2017YFB0701900),上海交通大学材料基因工程联合研究中心项目(15X190030002)以及上海交通大学SMC-晨星优秀青年教师(B类计划)(15X100080047)等的资助。