科研进展|上科大联合团队在固态锂金属电池负极界面稳定性研究方面取得新发现

作为便携式电子产品和电动汽车的主要电源，锂离子电池已广泛用于人们的日常生活，然而常规锂电池采用的易燃有机液体电解液为电池的安全性埋下了隐患。相比之下，固体电解质不易燃，相应固态锂电池的安全性远高于传统锂电池。在各种固体电解质中，石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）氧化物电解质因其高离子电导率、宽电化学窗口和对锂金属的高化学稳定性而备受关注。

美中不足的是，LLZO固体电解质的高电极-电解质界面阻抗和低临界电流密度 (即锂枝晶刺穿固体电解质层的最高电流密度，CCD) 严重阻碍了其在固态锂金属电池的发展。有研究发现，LLZO在空气中储存时会在表面形成疏锂的碳酸锂杂质，造成锂离子传输缓慢。许多研究提出采用亲锂界面层（Au、Sn、ZnO、MoS₂、Al₂O₃等）修饰LLZO可以提高其对锂金属的润湿性，降低界面电阻，并提高CCD。然而，近期有研究发现，表面不含碳酸锂杂质的LLZO本身是亲锂的，另外多数关于界面改性的文章都未深入研究LLZO在包覆界面层前的表面状况。所以，目前缺少关于LLZO和金属锂界面化学环境系统性的研究。

上海科技大学的刘巍课题组、杨楠课题组和孙兆茹课题组共同合作，系统研究了LLZO和金属锂界面化学对锂润湿性、界面阻抗和临界电流密度的影响。他们发现：1）碳酸锂是疏锂的，不含碳酸锂的LLZO本质上是亲锂的；2）LLZO在空气中储存时，表面会形成并积累碳酸锂，这会降低LLZO在锂表面的润湿性并导致较大的界面阻抗；3）即使碳酸锂层已经形成，亲锂中间层可以提高LLZO的锂润湿性，但不能降低面积比电阻（ASR）；4）对于未暴露在空气中、表面不含碳酸锂的LLZO，无需在其上涂覆亲锂中间层来降低ASR，且该中间层不能增强CCD；5）中间层可以在一定程度上防止LLZO生成碳酸锂；6）CCD 值主要受ASR控制，而不是表观的锂润湿性。

图1 面积比电阻（ASR）和极限电流密度（CCD）的关系（插图为锂枝晶在固态电解质中的生长机制示意图）

该成果以题为“The Inﬂuence of Surface Chemistry on Critical CurrentDensity for Garnet Electrolyte”发表在期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。物质学院刘巍课题组20级博士研究生陈邵杰、杨楠课题组20级博士研究生聂志威和孙兆茹课题组20级研究生田飞飞为该论文的共同第一作者，刘巍教授、杨楠教授和孙兆茹教授为共同通讯作者，上科大为唯一完成单位。以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上科大物质学院电镜中心CℏEM的大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113318