顆粒在線訊：金屬鋰負極(LMA)與無機固態(tài)電解質(SSE)之間的界面不穩(wěn)定性是全固態(tài)鋰金屬電池(ASSLB)中的一個關鍵問題。以往的研究主要集中在界面修飾方法，以實現(xiàn)ASSLB的長期循環(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)象學解決方案。此外，充電電池是通過電場內的電荷行為來操作的，這一事實經(jīng)常被忽視。

來自京浦國立大學的學者本文首次證明了基于能帶理論的界面建模確實有效地克服了單晶硅材料的固有脆弱性。鈦化合物自誘導過渡層(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稱電池表現(xiàn)出不穩(wěn)定的電壓特性，很容易被重復的充放電過程破壞。這種新引入的方法是一種信息豐富的工具，可以大大加強對全固態(tài)電池中界面現(xiàn)象的基本理解。此外，創(chuàng)新的界面改進有望滿足汽車應用對穩(wěn)定性的嚴格要求。相關文章以“Interface Modeling via Tailored Energy Band Alignment: Toward the Electrochemically Stabilized All-Solid-State Li-Metal Battery”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

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

圖1.通過定制能帶對齊實現(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示意圖。c)充電過程中Li/LATP/Li半部分的能帶圖。d)充電時Li/TSi@LATP@TSi/Li半部分的能帶圖。

圖2.鋰對稱電池的電化學性能。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對稱電池中拆卸出來的鋰金屬陽極。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)設計的中間層對LMA-SSE界面穩(wěn)定性影響的電化學分析。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)電化學分析的充分支持，成功地解決了ASSLB研究領域遺留下來的長期問題。在電解液表面沉積納米鈦可以有效地改善LMA-SSE界面的本質不穩(wěn)定狀態(tài)。與未經(jīng)界面修飾的鋰對稱電池相比，鍍鈦LATP鋰對稱電池的電化學可靠性顯著提高。此外，界面修飾電池在不同電流密度下的長期循環(huán)過程中保持了電化學穩(wěn)定性和電學均勻性。這種改善是通過在陽極-電解質界面形成穩(wěn)定的鋰離子導體和電子的自誘導中間層來實現(xiàn)的。此外，這種新引入的基于能帶理論的分析方法確實確定了鋰離子導電固體之間的物理穩(wěn)定性。中間層和電解質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充放電過程中保持其功能。這些研究成果有望為實用化全固態(tài)電池的發(fā)展做出重大貢獻，說明固態(tài)電解質與絕緣性液體電解質不同，具有半導電性。最后，本研究提出電化學和固態(tài)物理的交叉研究對于電池技術的突破是必要的。