Small Structures:用于高性能固体电解质的电子阻挡层

锂金属电池具有更高的能量密度,但其电极上容易产生锂枝晶,导致锂金属电池的循环寿命和库伦效率普遍偏低,并有潜在的安全隐患,通常需要依靠固态电解质来实现更好的性能。相较于传统的液态电解质,固态电解质无需使用任何易燃、可燃的液体,并具有更好的电化学稳定性,从而获得更理想的安全性和性能优势。为了改善固态电池的循环性能,研究者充分研究了固态电解质和锂金属负极之间薄层的作用,例如引入纳米级石墨、氧化铝、锗、硅及其他材料。这些纳米级薄层可以降低固态电解质与锂负极之间的的界面阻抗,并增加界面处锂金属的润湿性,从而抑制锂枝晶的形成。

然而,即便在界面薄层上取得了一定的进展,电池最终也会因短路而失效。本文作者们因此提出了一种理论,认为固态电解质中不可忽略的电导率会允许多余的电子从锂负极进入固态电解质,并导致锂沿晶界、孔表面和界面沉积。该过程在高循环电流密度下产生锂枝晶的倾向尤为显著。为应对上述的挑战,美国天主教大学(The Catholic University of America)Lin Chuan-Fu教授和美国马里兰大学胡良兵教授等首次在锂金属负极和石榴石(LLZO)固态电解质之间引入了锂磷氧氮化物(LiPON)薄层,来实现低电子电导率和高离子电导率。

在这项工作中,作者首先通过颗粒烧结和抛光工序,制备了分子式为Li6.5La3(Ta0.55Zr1.45)O12的LLZO。其立方相具有良好的离子电导率(2.35 × 10-4 S/cm),且与锂金属的界面阻抗较低。SEM表征显示,该LLZO分布有直径约5 µm的闭孔,典型晶粒尺寸为20~30 µm。之后,作者选择了原子层沉积(ALD)技术来制备LiPON薄层。ALD技术能保证薄层实现对粗糙表面的均匀覆盖,并确保连续的电子绝缘性。在裸露的LLZO中,Li与LLZO直接接触,来自电极的电子可以迁移到固态电解质中,并将Li+离子还原为金属枝晶(如图中B所示)。而引入LiPON薄层后,该层可以起到很好的润湿层作用和电子阻挡作用,并且不会阻碍离子传输,从而显著抑制了锂枝晶的形成,增加了界面和循环稳定性。

论文信息:

Ion-Conducting, Electron-Blocking Layer for High-Performance Solid Electrolytes

Emily M. Hitz, Hua Xie, Yi Lin, John W. Connell, Gary W. Rubloff, Chuan-Fu Lin*, Liangbing Hu*

Small Structures

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100014

原创署名:潘奕辰、刘田宇