合肥研究院在全固態(tài)鋰電池界面過渡層研究方面取得進展

圖1. 通過磁控濺射在固態(tài)電解質(zhì)表層濺射不同厚度的ZnO鍍層對界面穩(wěn)定性及鋰離子傳輸過程影響示意圖。（a）無過渡層；（b）少量ZnO；（c）大量ZnO。

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究室研究員方前鋒課題組在全固態(tài)鋰電池界面過渡層研究方面取得進展。課題組通過采用ZnO作為金屬鋰與固態(tài)電解質(zhì)界面過渡層，研究了其對于界面鋰離子沉積及鋰枝晶生長的影響，揭示了ZnO層厚度對界面阻抗及鋰離子傳輸影響規(guī)律。相關(guān)研究成果以Thickness-Dependent Beneficial Effect of the ZnO Layer on Tailoring the Li/Li₇La₃Zr₂O₁₂ Interface 為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

采用金屬鋰作為負極的全固態(tài)電池是實現(xiàn)高安全、高能量密度鋰電池的主要發(fā)展方向之一。但由于金屬鋰在固態(tài)電解質(zhì)表層浸潤性較差，嚴重影響鋰離子在界面的傳輸效率，進而導(dǎo)致高界面阻抗及鋰枝晶的生長，最終導(dǎo)致電池短路，為鋰電池應(yīng)用帶來安全隱患。通過在二者界面增加ZnO過渡層，可以有效改善界面接觸效果，但相關(guān)影響機制目前尚不明確。

為此，科研人員通過磁控濺射法，在Ca/Ta共摻雜的Li_6.55La_2.95Ca_0.05Zr_1.5Ta_0.5O₁₂（LLCZTO）電解質(zhì)表層濺射了不同厚度的ZnO過渡層，再將其與金屬鋰復(fù)合制備成對稱的全固態(tài)鋰電池，通過對其組成、結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能表征，來探究ZnO層厚度對界面阻抗及鋰離子傳輸影響規(guī)律（圖1）。研究表明，ZnO過渡層會與金屬鋰發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致體積膨脹而產(chǎn)生一定的形變。但當ZnO過渡層厚度低于200 nm時，該膨脹效應(yīng)尚不明顯，過渡層會與電解質(zhì)層保持較好的緊密接觸（圖1b）；而過厚的ZnO過渡層會因體積膨脹而形成褶皺，導(dǎo)致界面出現(xiàn)周期性孔隙結(jié)構(gòu)，顯著減少了金屬鋰與固態(tài)電解質(zhì)界面的有效接觸面積（圖1c），使界面阻抗升高，而界面的不穩(wěn)定會使鋰離子在界面局部沉積形成枝晶，導(dǎo)致電池短路及循環(huán)壽命降低。研究結(jié)果表明，厚度低于200 nm的ZnO過渡層能有效改善全固態(tài)鋰電池界面特性，該工作的開展為全固態(tài)電池界面性能優(yōu)化及安全性能提高提供了理論與實驗基礎(chǔ)。

該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的支持。