​港科大EES：原位可视化高性能固态锂金属电池的界面结构演变

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​港科大EES：原位可视化高性能固态锂金属电池的界面结构演变
LAGP 具有良好的空气稳定性，无需严格的合成和储存要求，是一种很有前途的固体电解质候选材料。然而，其界面稳定性在决定锂金属电池性能发挥着关键作用，尤其是要了解界面反应的机理。直接跟踪固态电解质/电极界面的结构和成分演变并妥善解决界面问题对于提高固态锂金属电池（SSLMB）的性能至关重要。
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在此，香港科技大学赵天寿团队利用原位透射电子显微镜（TEM）研究了 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP) 与锂负极之间界面的结构演变。研究发现，即使不施加电压，锂与原始 LAGP 之间的反应也会导致体积持续膨胀和接触损失。
为了稳定界面，作者构建了一种多层固体电解质，其中 LAGP 涂有聚合物电解质（P-DOL），从而使界面层在整个锂化过程中保持原始形态。此外，P-DOL 还能促进在界面上形成丰富的 LiF，抑制 LAGP 的电子传输和体积膨胀，这一点在低温微电子能谱和模拟分析中得到了进一步证实。
即使在苛刻的测试条件下，如高倍率（10 C）、高活性材料负载（11.7 mg cm-2）、宽电压范围（2.8-4.45 V）和-20-50 ℃的温度范围内，该种独特的多层电解质的有效性和可循环性在各种电池中得到了证明。通过应用相同的界面改性方法，作者还制备出了同时具有高离子电导率和界面稳定性的基于 LLZTO 的（Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12）电解质。
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图1. LAGP@P-DOL结构表征
总之，该工作利用原位 TEM 技术观察了 SSLMB 中电解质/Li在纳米尺度上的界面反应和结构变化，发现 LAGP@P-DOL 颗粒在充放电过程中的形态变化极小。Cryo-TEM 和 TOF-SIMS 证实在 LAGP@P-DOL/Li 界面形成了富含 LiF 的层，促进了 Li+的均匀分布，有利于锂的致密均匀沉积。基于 QCPE@P-DOL 的锂金属电池在 -20 至 50 ℃ 的温度范围内表现出卓越的循环稳定性，在 30 ℃、放电率为 10.0 C 的条件下，循环寿命超过 1450 次。
因此，该工作为理解 SSLMB 中锂与无机氧化物之间的界面结构和成分的演变提供了理论基础，为设计界面层以提高 SSLMB 系统和各种碱金属电池的性能提供了宝贵的见解。
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图2. 电池性能
Stabilizing the LAGP/Li interface and in situ visualizing the interfacial structure evolution for high-performance solid-state lithium metal batteries, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d4ee02075h

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