锂镧锆氧固态电池的正负极界面修饰及其性能调控

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固态锂电池采用固态电解质替代液态电解液,具有实现高安全性、高能量密度的巨大潜力。然而,在固态电池中,固态电解质与电极之间的界面存在巨大的挑战,例如固体电解质与正负极之间难以形成紧密且连续的导电界面,并会显著增加电极/电解质的界面阻抗。此外,石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)固体电解质易与空气中的水及二氧化碳反应生成碳酸锂等杂质,从而导致其对熔融锂的不浸润性。针对以上LLZTO固体电解质所面临的挑战,进行了相关的改性研究。所开展工作取得的主要结论如下:(1)通过在LLZTO电解质与LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)正极之间引入痕量的离子液体电解质,实现了LLZTO电解质与NCM622电极之间良好的界面接触以及稳定的锂离子脱嵌。基于该界面修饰策略,固态电池的界面极化显著减小。60℃,在0.2、0.5和1.0 C的倍率下,NCM622全电池的初始放电比容量分别为163.5、148.8以及131.2 mAh g-1,且循环100圈后容量保持率可达87.6%。(2)通过在LLZTO电解质与Li负极之间引入痕量的高离子导电的醚类电解质,实现了负极侧界面的良好界面接触与快离子导电。基于该界面修饰策略,LLZTO固体电解质与Li负极之间获得了紧密的固-固导电接触以及较小的界面阻抗。锂对称电池可以在不同电流密度(0.2、0.5和1.0 mA cm-2)下稳定循环,并保持极小的过电势。此外,LLZTO的临界电流密度同时提高至2.2 mA cm-2。(3)分别采用抛光、磷酸酸和盐酸处理这三种方法,去除了LLZTO固态电解质表面的碳酸锂杂质层,并通过XRD、Raman以及XPS等表征技术确定了酸处理的最佳时间。实验结果表明:抛光处理无法完全去除LLZTO表面的杂质层;盐酸处理5 s或磷酸处理30 s可将电解质表面的碳酸锂杂质层完全去除,无表面碳酸锂的LLZTO电解质对熔融锂表现出了优异的浸润性,并且基于无碳酸锂的LLZTO固体电解质的固态电池表现出了稳定的充放电循环性能。
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