通过建立Li-mg合金/LiF全无机混合导电层改善Li|LLZTO界面问题

研究背景

石榴石型氧化物Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)作为一种极具发展前景的固体电解质引起了人们的广泛关注。然而，在使用过程其本身与锂金属间界面阻抗较大，难以实现实际的应用。因此本研究通过自旋镀膜（MgF2）工艺以及原位合金化转化反应在LLZTO与Li金属之间构建了一种Li-mg合金/LiF (LMF)全无机混合导电层来改善这一问题。

研究内容

该研究首先通过对MgF2@LLZTO样品进行多种形貌表征，结合XRD以及电镜图像来表明研究成功的在LLZTO表面涂覆上了一层致密的四方相的MgF2层。

图1 MgF2@LLZTO的表征随后该研究分别组装了不同旋涂速度下MgF2@LLZTO的锂对称电池，并对电化学性能进行对比。通过测试结果不难发现在8000rpm旋涂速度下的涂层具有最佳的电化学性能（最小的阻值以及最佳的循环稳定性）。

图2 不同旋涂速度下MgF2@LLZTO锂对称电池的电化学性能紧接着该研究为证实MgF2与Li之间发生转化反应的机理，研究者对反应前后的LLZTO进行了XPS以及XRD表征。结果表明XRD中出现了Li-Mg合金相以及XPS图谱中出现了Li-Mg合金和LiF的特征峰，这一结果证明了MgF2与熔融的Li金属反应生成Li-Mg合金和LiF的过程，揭示了Li|LLZTO界面改善的根本原因。

图3 对反应前后LLZTO表面的表征然后该研究通过润湿实验以及SEM横截图像来表明LMF修饰层能够大大改善Li与LLZTO间的界面接触。同时组装LMF-LLZTO的锂对称电池，通过其电化学性能进一步表明表面修饰层的优秀性能。

图4 SEM横截图和LMF-LLZTO对称电池电化学性能

最后研究将LiFePO4和LMP-LLZTO组装成全固态锂金属电池并与普通的LLZTO电化学性能进行了对比，Li|LMF@LLZTO|LFP低的阻抗以及长期的循环稳定性表明混合导电层Li-mg /LiF的改性成功地改善了Li|LLZTO界面接触，抑制了Li枝晶的生长。

图5 Li|LMF@LLZTO|LFP和Li| LLZTO|LFP的电化学性能

总结

综上所述，该研究提供了一种快速、高效、低成本的界面改性策略，不仅提高了石榴石型固体电解质与锂金属之间的润湿性，而且有效抑制了Li|LLZTO界面上锂枝晶的生长，这为实现高能密度固态锂金属电池提供了切实可行的解决方案。

审核编辑：郭婷