Angew. Chem. Int. Ed. : 鋰-石榴石電池中金屬界面的瞬態行為

abc940504 6年前 (2017-10-26) 3844瀏覽

【引言】

近來，在鋰電池領域，對利用鋰金屬復合材料或修飾隔膜來抑制或延緩鋰枝晶生長已進行了廣泛的研究。相比上述策略，可利用一體化的固態電解質(SSE)取代聚合物隔膜以物理阻擋鋰枝晶穿刺。比起有機電解液，固態電解質有很多優勢，如具有寬泛且穩定的窗口(0-5V)、良好的熱穩定性和內在不易燃性。在不同類型的固態電解質中，石榴石型Li7La3Zr2O12(LLZO)由于其較高的離子電導率以及對金屬鋰的化學穩定性，成為鋰金屬電池固態電解質的有力競爭者。固體電解質和金屬鋰之間的界面接觸是固態電池的主要問題。引入金屬過渡層共型涂覆固體電解質能提高金屬鋰的界面潤濕性并降低界面電阻，但金屬過渡層的機理尚不清楚。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授(通訊作者)等人以鎂(Mg)作為模型來研究金屬鍍層對固態電解質和鋰金屬陽極界面電阻的影響，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Transient Behavior of the Metal Interface in Lithium Metal-Garnet Batteries”的研究論文。Li-Mg合金過電勢較低，因此界面阻力較低。作者發現金屬涂層溶解于熔融的鋰并向體相金屬鋰擴散，石榴石固態電解質和鋰金屬之間的界面電阻較小且穩定。TOF-SIMS結果證實了Mg涂覆于界面的瞬態行為，XPS結果表明，當熔融的鋰與鎂涂層作用時，石榴石固態電解質仍保持穩定。此外，由于金屬界面的瞬態行為，界面阻抗并沒有隨金屬鍍層的厚度(5、10和100 nm)增加而改變。

【圖文簡介】

圖1固態電解質和熔融金屬鋰界面瞬態過渡層的示意圖

加熱時，金屬涂層溶解并擴散入熔融的鋰，形成富鋰的鋰-金屬固溶體。金屬的溶解和擴散形成了石榴石SSE和鋰之間的瞬態界面。

圖2 Mg涂覆的石榴石SSE的形貌及其與金屬鋰的界面

a,b) 金屬鋰和鎂涂覆的石榴石LLZO SSE 界面橫斷面及放大圖像；

c) 界面橫斷面的鎂元素分布圖；

d) 體相金屬鋰中的鎂元素分布圖證實鎂在鋰中的梯度分布。

圖3 界面阻抗表征

a) 在石榴石SSE和熔融鋰界面的瞬態鎂層示意圖；

b) 不同界面鎂層厚度下的EIS測試；

c) 100 nm鎂覆蓋石榴石SSE的鋰電鍍/退鍍性能。

圖4 金屬鋰和鎂涂覆石榴石SSE界面的TOF-SIMS分析

a) 離子束濺射形成的坑及Li/Mg/石榴石SSE樣品橫斷面的SEM 圖像；

b) Li/Mg/石榴石SSE的界面展示出石榴石SSE與鋰緊密的接觸；

c) 界面放大圖像；

d-g) Li/Mg/石榴石SSE橫斷面的元素分布(Mg, Li, La, Zr)；

h) Li/Mg/石榴石SSE的TOF-SIMS分析。

【小結】

作者以Mg作為模型來研究石榴石固態電解質和鋰金屬界面的金屬過渡層。金屬過渡層沒有如常規假設般留在界面，而是從界面消失，大量溶解和擴散于熔化的鋰，即溶解金屬作為瞬態過渡層。此外，界面阻抗并未隨金屬鍍層的厚度(5、10和100 nm)增加而改變。該研究表明金屬在界面的瞬態行為使界面消失并解決了固態電解質與鋰界面阻抗的根本挑戰，為實現固態鋰金屬電池鋪平了道路。

文獻鏈接：Transient Behavior of the Metal Interface in Lithium Metal-Garnet Batteries?(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201708637)

【通訊作者簡介】

胡良兵教授目前在就職于美國馬里蘭大學材料科學與工程學院，主要從事納米材料、納米制造、生物質納米纖維素在固態、鈉離子電池及印刷柔性電子等領域的應用研究。近五年，主持美國能源部、空軍部等科研項目10余項，總經費超過800萬美元；在Chemical Reviews、Nature Materials、Nature Commutations、PNAS、JACS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等世界頂級期刊上發表SCI檢索文章210余篇，其中影響因子大于10的文章130余篇，總被引超過15,000次，H-index: ~60；授權美國專利20余項；擔任Scientific Report、Frontiers in Energy Storage、Supercapacitor等國際知名期刊編委。

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