固態(tài)電解質(zhì)陶瓷是構(gòu)筑固態(tài)鋰金屬電池的核心材料，能夠解決液態(tài)電解液引起的燃燒爆炸等安全問(wèn)題。其中，石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）固態(tài)電解質(zhì)具有高室溫離子電導(dǎo)率（10-3 S·cm-1）和對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)電池研究。然而，LLZO易與空氣中的水和二氧化碳反應(yīng)，在表面生成離子絕緣的Li2CO3層，造成大的界面阻抗，阻礙LLZO基固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用推進(jìn)。此外，固態(tài)電解質(zhì)沒(méi)有浸潤(rùn)性，不能像液態(tài)電解質(zhì)一樣浸入正極去構(gòu)筑離子傳輸通道，從而導(dǎo)致正極內(nèi)部離子傳輸阻塞。因此，需要設(shè)計(jì)新方法以增強(qiáng)LLZO空氣穩(wěn)定性，并通過(guò)構(gòu)筑離子傳輸通道來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰離子在正極內(nèi)部的快速均勻傳輸。

以消除石榴石型LLZO表面惰性Li2CO3并增強(qiáng)鋰離子在正極內(nèi)部的傳輸速率為目標(biāo)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團(tuán)隊(duì)提出基于表面鋰供體反應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì)陶瓷材料制備及固態(tài)正極內(nèi)部界面適配策略。利用LLZO粉體近表面層及其表Li2CO3、LiOH等自發(fā)反應(yīng)惰性層作為鋰供體，提供反應(yīng)鋰源，與特定金屬氧化物反應(yīng)，在LLZO表面生成空氣穩(wěn)定的活性功能衍生層，從根源上解決了石榴石型固態(tài)電解質(zhì)空氣穩(wěn)定性差的問(wèn)題。研究人員將其適配正極活性物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)鋰離子在正極內(nèi)部的快速均勻擴(kuò)散，降低極化電壓，提高電池的循環(huán)性能。相關(guān)研究成果以O(shè)n-surface Lithium Donor Reaction Enables Decarbonated Lithium Garnets and Compatible Interfaces within Cathodes為題，發(fā)表在Nature Communications上。上海硅酸鹽所在讀博士研究生楊亞南為論文第一作者，張濤為論文通訊作者。

該研究從金屬氧化物Co3O4出發(fā)，通過(guò)兩步固相燒結(jié)法，實(shí)現(xiàn)Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 （LLZTO）表面惰性Li2CO3向活性LiCoO2的轉(zhuǎn)化。其中鋰供體反應(yīng)技術(shù)的關(guān)鍵在于在一次燒結(jié)中LLZTO內(nèi)部晶格鋰及其表面Li2CO3同時(shí)作為鋰源，參與化學(xué)反應(yīng)合成LiCoO2，但由于內(nèi)部鋰的缺失，造成鋯酸鑭雜相。為消除雜相，研究人員通過(guò)二次燒結(jié)補(bǔ)充額外鋰源（Li2O），將鋯酸鑭缺鋰相還原回LLZTO結(jié)構(gòu)，從而制備出純凈的LLZTO包覆LiCoO2（LLZTO@LCO）材料。該鋰供體反應(yīng)技術(shù)還可拓展應(yīng)用于合成其他LLZTO@功能層材料，研究已制備出LLZTO@LiMn2O4材料。制備的LLZTO@LCO復(fù)合材料具有更好的離子傳輸性能，以及較好的空氣穩(wěn)定性，空氣條件下暴露四個(gè)月未見(jiàn)Li2CO3產(chǎn)生。將其作為離子導(dǎo)體匹配商業(yè)LiCoO2活性材料制備復(fù)合正極（LCO-LLZTO@LCO），圍繞LLZTO@LCO顆粒構(gòu)筑高速離子傳輸通道，加鋰離子在正極內(nèi)部的縱向傳輸，同時(shí)得益于正極內(nèi)部顆粒間界面的適配，實(shí)現(xiàn)鋰離子在整個(gè)正極的快離子傳輸。基于LCO-LLZTO@LCO復(fù)合正極組裝的固態(tài)鋰金屬電池在室溫下穩(wěn)定循環(huán)180圈，極化電壓低于0.08 V，容量保持81%，固態(tài)電池室溫電化學(xué)性能提高。

相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

（a）鋰供體反應(yīng)技術(shù)示意圖；（b）LLZTO表面Li2CO3向LiCoO2轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖