专业解读：多孔碲技术如何提升石榴石固态锂金属电池性能

采用固体氧化物电解质的锂金属电池因其克服传统锂离子电池（LIBs）安全性和能量密度限制的潜力而备受关注。其中，在正极使用离子液体、负极使用固体氧化物电解质的准全固态锂金属电池，因能结合高负载正极和薄锂金属负极实现高能量密度而极具前景。然而，锂金属与固体电解质界面不稳定的锂沉积/剥离会导致锂枝晶生长，进而引发短路和长循环稳定性差的问题，阻碍了其商业化进程。

虽然碳基中间层已被证明能有效维持界面接触，但氧化物固体电解质需要额外的粘结材料来确保与碳层的结合。此前的研究使用了Ag层，但Ag在循环中容易与Li形成合金并迁移，导致界面失效。为此，研究团队提出了一种由多孔碲（Te）和碳基层组成的负极多层结构，显著抑制了锂枝晶的形成，并大幅降低了长循环过程中的容量衰减。

材料设计与机理验证

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研究团队首先利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟筛选合适的界面粘结材料。模拟显示，Ag会与Li发生完全混合（合金化），导致Ag层逐渐消失。相比之下，Te与Li的合金化反应在形成Li₂Te后趋于饱和，且Li在Te中的扩散较慢，表明Te作为粘结层在循环中能保持相对静止。

金属与Li合金化行为的评估。(a) 10-ns MLIP-MD模拟期间的Li-Ag合金化和 (b) Li-Te合金化行为

虽然Te能增强LLZTO（Li₆.₄La₃Zr₁.₇Ta₀.₃O₁₂）与碳基中间层的粘附力，但Li在体相Te中的扩散系数极低（10⁻¹⁴–10⁻¹⁵cm²/s），可能限制倍率性能。计算表明Li在Li-Te合金表面的扩散能垒很低（70 meV）。因此，研究人员通过溅射GeTe薄膜并选择性酸刻蚀掉Ge，在LLZTO表面制备了40 nm厚的多孔Te层，以增加表面积并促进Li的传输。

多孔Te层的制备与表征

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利用原位X射线光电子能谱（XPS）及电子束/离子束辐照技术，研究了多孔Te层的化学和形貌变化。结果显示，多孔Te层的Li/Te原子比在电子束辐照下（模拟充电）的增加速度显著快于致密Te层，证明多孔结构有效加速了Li的传输。电化学阻抗谱（EIS）测试表明，含多孔Te层的Li对称电池具有更低的界面电阻（4.98 Ω cm²），且在高达3.0 mA/cm²的电流密度下未发生短路，表现出优异的抑制锂枝晶能力。

多孔Te层的制备与表征。(a) 酸处理前后GeTe层的表面SEM图像。截面图像显示约40 nm厚的涂层。(b) 测量过程示意图。(c) 电子束和离子束辐照期间多孔Te层核心能级光谱的变化

全电池性能评估

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研究人员组装了采用NCA811正极（浸以此双氟磺酰亚胺锂LiFSI和离子液体EMIFSI配制的电解液）、LLZTO固体电解质和Te/Ag-C负极中间层的软包电池。该电池表现出极低的界面电阻（约12 Ω cm²）。

在25°C、2.2 mA/cm²的高电流密度下，该电池稳定运行超过4000次循环，容量保持率高达80.1%，平均库伦效率为99.7%。循环后的截面SEM/EDS分析证实，即使在4000次循环后，Te层仍稳定存在于固体电解质/Ag-C界面处，未发生明显的空洞或分层。这得益于Te在循环过程中的不可移动性及其对界面的稳定作用。与之相比，使用Ag作为粘结层的电池循环稳定性较差。

准全固态锂金属电池的制备与电化学性能。(a) 组装的Li|Ag-C/Te|LLZTO|NCA811-EMIFSI (2M LiFSI) 电池示意图。(c) 制备电池的恒流电压曲线。(d) 准全固态锂金属电池的循环性能

值得注意的是，循环后正极侧观察到了NCA811颗粒的微裂纹，这是高镍正极常见的降解行为，但离子液体的高氧化电位使得电池仍能维持较长的寿命，优于传统的碳酸酯类电解液体系。

大尺寸电池与安全性

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为了验证商业化潜力，团队利用流延成型工艺制备了36 cm²的大面积LLZTO电解质，并组装了容量达100 mAh级的LCO单体软包电池。该大尺寸电池在45°C、0.5 C倍率（85 mA/g）下稳定循环超过400次，未发生短路。此外，基于离子液体的阻燃特性，电池通过了直接火焰暴露测试和针刺测试，未发生起火或爆炸，显示出卓越的安全性。

Li|C/Te|LLZTO|LCO-EMIFSI (2M LiFSI) 单体电池的电化学性能。(a) 用于制造100 mAh Li|C/Te|LLZTO|LCO单体电池的LLZTO流延膜和LCO正极。(d) 准全固态锂金属电池的循环性能

这项研究提出了一种利用多孔Te作为粘结层结合碳基中间层的策略，有效解决了石榴石型固体电解质与锂金属负极之间的界面稳定性问题。多孔Te层不仅提供了强附着力，还通过其多孔结构促进了Li的均匀传输。这种设计实现了在高电流密度下的超长循环寿命（>4000次），并成功在安时级大面积电池上进行了验证。该成果为开发高能量密度且长寿命的固态电池提供了一条切实可行的技术路径。