石榴石型固体电解质与金属锂负极固固界面可控构筑及离子输运机制

All solid-state lithium batteries (ASSLBs) have been expected to overcome the safety problem of lithium-ion batteries by replacing liquid electrolytes with solid-state electrolytes (SSEs) and presented higher energy density by using lithium metal anode. However, the solid-solid interface between SSEs and lithium metal presents a large interfacial resistance, which has been one of the largest barriers to developing ASSLBs. This project aims to develop technologies for fabricating controlled solid-solid interface with stable and low interfacial resistance between garnet-type SSEs and Li metal anode. The dependence of elemental doping, structural design, surface modification of garnet on interface’s composition, structure, morphology, and interfacial resistance will be investigated systematically. Furthermore, we will explore the ion transport mechanism together with the formation and evolution rule of the interface. It is expected that this research would provide beneficial guidance to high-energy-density, high safety, long-life ASSLBs for electric vehicles.

全固态锂电池采用固体电解质替代有机液体电解质，不仅解决了传统锂离子电池的安全性问题，并且通过使用金属锂负极有望获得更高的能量密度。然而，随着固体电解质取代液体电解质，电极与电解质界面由固液界面转变为固固界面，所导致的高界面阻抗已成为阻碍全固态锂电池发展的最关键挑战之一。本项目旨在研究无机固体电解质与金属锂负极固固界面的可控构筑，开发界面匹配与制备技术，实现界面阻抗低、循环稳定的固固界面。主要针对石榴石型固体电解质(Li7La3Zr2O12)/金属锂负极固固界面的生长与形成机制，系统研究掺杂、结构调控、表面改性对固固界面的化学组成、结构、形态及界面阻抗的影响，揭示固固界面演变规律以及离子传导相关原理，为开发高比能、高安全、长寿命的车用全固态锂电池提供有益的指导。

固态锂电池采用不可燃的固态电解质替代有机液体电解液，有望从根本上解决传统锂离子电池的安全性问题。在各种潜在的锂电池用负极材料中，金属锂负极比容量高达3861mAh/g，而且还具有最低的电化学势，这使金属锂成为锂硫电池、锂空气电池等下一代高比能电池体系的首选负极。采用与金属锂负极电化学稳定的石榴石型固体电解质（LLZO）构筑高电压固态锂金属电池可实现能量密度和安全性同步提升。但是，LLZO与金属锂接触角大，呈现出“疏锂性”。直接结合金属锂与LLZO，其界面接触面积小、传质/传荷困难、阻抗大，界面电流分布不均匀导致电池倍率性能和循环稳定性差。在国家自然科学基金的资助下，本项目在过去三年里紧密围绕“石榴石型固体电解质与金属锂负极固固界面”展开了界面兼容型金属锂基复合负极的制备、超低界面阻抗的构筑等方面的研究，取得了以下主要进展：1）构筑了多种金属锂基复合负极材料，通过调控复合材料表面能、流动性、粘度和界面反应能改善其与LLZO的固固接触、界面离子传导和稳定性，并提出了金属基复合负极材料的设计原则；2）揭示了石墨表面亲锂和锂化石墨表面超亲锂的浸润机理，指出了常见的石墨碳纸与金属锂不相容的原因，为相关高容量金属复合负极的设计制备提供依据；3）发展了几种降低金属锂与LLZO界面阻抗的策略，主要包括开发了一种亲锂图案修饰LLZO表面的方法以及制备了一种可直接书写的金属锂墨水。本项目开发的这些技术有望应用于固态锂电池，对促进新能源汽车、智能电网等战略新兴产业起到积极意义。