顆粒在線訊：金屬鋰負(fù)極(LMA)與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)(SSE)之間的界面不穩(wěn)定性是全固態(tài)鋰金屬電池(ASSLB)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。以往的研究主要集中在界面修飾方法，以實(shí)現(xiàn)ASSLB的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。然而，如果不深入了解LMA-SSE接口，戰(zhàn)略制定僅限于現(xiàn)象學(xué)解決方案。此外，充電電池是通過電場(chǎng)內(nèi)的電荷行為來操作的，這一事實(shí)經(jīng)常被忽視。

來自京浦國(guó)立大學(xué)的學(xué)者本文首次證明了基于能帶理論的界面建模確實(shí)有效地克服了單晶硅材料的固有脆弱性。鈦化合物自誘導(dǎo)過渡層(TSI)形成了界面能壘，避免了由于電子從LMA向SSE表面的非理想傳輸而引起的界面劣化。具有TSI的鋰對(duì)稱電池在1000次循環(huán)中成功地保持了恒定的過電位，阻抗顯著降低，而沒有界面修飾的鋰對(duì)稱電池表現(xiàn)出不穩(wěn)定的電壓特性，很容易被重復(fù)的充放電過程破壞。這種新引入的方法是一種信息豐富的工具，可以大大加強(qiáng)對(duì)全固態(tài)電池中界面現(xiàn)象的基本理解。此外，創(chuàng)新的界面改進(jìn)有望滿足汽車應(yīng)用對(duì)穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。相關(guān)文章以“Interface Modeling via Tailored Energy Band Alignment: Toward the Electrochemically Stabilized All-Solid-State Li-Metal Battery”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202107555

圖1.通過定制能帶對(duì)齊實(shí)現(xiàn)界面建模的效率。a)Li/LATP/Li界面劣化示意圖。m)LMA-SSE界面上自感過渡層的效應(yīng)示意圖。c)充電過程中Li/LATP/Li半部分的能帶圖。d)充電時(shí)Li/TSi@LATP@TSi/Li半部分的能帶圖。

圖2.鋰對(duì)稱電池的電化學(xué)性能。a)比較Li/LATP/Li和Li/Ti@LATP@Ti/Li在0.05 mA cm?2電流密度下200次循環(huán)的電壓分布。b)Li/LATP/Li在0.05 mA cm?2下200次循環(huán)的阻抗數(shù)據(jù).c)Li/Ti@LATP@Ti/Li在0.05 mA cm?2下200次循環(huán)的阻抗數(shù)據(jù).

圖3.施加的夾層的表面分析。a)成環(huán)前的鍍鈦LATP照片。b)(a)中樣品的掃描電鏡圖像。c)(a)中樣品的GIXRD數(shù)據(jù)。d)在0.05 mA cm?2下循環(huán)200次后，從Li/Ti@LATP@Ti/Li中分解出鈦沉積的LATP的照片。(d)的插圖是從同一Li對(duì)稱電池中拆卸出來的鋰金屬陽(yáng)極。e)(d)中樣品的掃描電鏡圖像。f)(d)中樣品的GIXRD數(shù)據(jù)。

圖4。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中間層對(duì)LMA-SSE界面穩(wěn)定性影響的電化學(xué)分析。橫截面HAADF-STEM和EDS映射圖像a）循環(huán)前鈦沉積的LATP，b）從Li中拆卸的鈦沉積的LATP/Ti@LATP@在0.05mA cm-2下200次循環(huán)后的Ti/Li. c）通過（b）中樣品的不同蝕刻時(shí)間的Ti 2p XPS光譜演變。

綜上所述，本文論證了通過能帶排列實(shí)現(xiàn)界面穩(wěn)定的重要意義。這一創(chuàng)新策略得到了廣泛接受的能帶理論和常規(guī)電化學(xué)分析的充分支持，成功地解決了ASSLB研究領(lǐng)域遺留下來的長(zhǎng)期問題。在電解液表面沉積納米鈦可以有效地改善LMA-SSE界面的本質(zhì)不穩(wěn)定狀態(tài)。與未經(jīng)界面修飾的鋰對(duì)稱電池相比，鍍鈦LATP鋰對(duì)稱電池的電化學(xué)可靠性顯著提高。此外，界面修飾電池在不同電流密度下的長(zhǎng)期循環(huán)過程中保持了電化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)均勻性。這種改善是通過在陽(yáng)極-電解質(zhì)界面形成穩(wěn)定的鋰離子導(dǎo)體和電子的自誘導(dǎo)中間層來實(shí)現(xiàn)的。此外，這種新引入的基于能帶理論的分析方法確實(shí)確定了鋰離子導(dǎo)電固體之間的物理穩(wěn)定性。中間層和電解質(zhì)的能帶排列引起界面能壘，阻礙了電子的傳輸。隨后，電池組件可以在重復(fù)充放電過程中保持其功能。這些研究成果有望為實(shí)用化全固態(tài)電池的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)，說明固態(tài)電解質(zhì)與絕緣性液體電解質(zhì)不同，具有半導(dǎo)電性。最后，本研究提出電化學(xué)和固態(tài)物理的交叉研究對(duì)于電池技術(shù)的突破是必要的。