北京理工大学陈人杰教授、钱骥研究员AM：新型冷粘合策略在温和条件下构筑高稳定固态电解质/锂金属界面

【研究背景】

随着全球能源消耗问题的日益严峻，新能源的开发利用和新型储能装置的研究逐渐成为热点。锂离子电池作为一种技术成熟、性能优异的电池系统，已广泛应用于我们的日常生活。然而，液体电解质的使用给锂离子电池带来了很大的安全隐患，而全固态电池（ASSB）使用的固态电解质通常被认为是解决锂离子电池安全问题的关键。此外，它可以与具有高理论比容量的锂金属阳极相匹配以提高电池的能量密度，因此固态锂金属电池被认为是最有前途的下一代电池。具体而言，石榴石型电解质因其出色的离子电导率（室温下~10^-4 S cm^-1）以及与锂金属的良好稳定性而引人注目。然而，由于LLZ与锂不亲和，LLZ表面的Li润湿性较差，导致LLZ/Li界面的固体接触差，界面电阻高。此外，在循环过程中易发生LLZ与锂金属之间的副反应引起LLZ结构损伤以及锂穿透LLZ引起电池短路。这些问题降低了LLZ的性能，限制了LLZ的应用。

【文章简介】

鉴于此，北京理工大学陈人杰教授，钱骥研究员等人通过使用原位冷粘合方法在常温下制备了由Li₃N 和Li-In 合金组成的混合导电层（RT-MCL）用于改善LLZ/Li界面。对锂金属稳定的离子导电层可以有效保护锂金属表面，抑制锂金属的破碎。同时，具有高Li⁺扩散系数的电子导电层可以诱导锂金属的均匀沉积并保护离子导电层，使MCL能够承受较大的体积变化。因此，该混合导电层能有效抑制界面副反应，保护LLZ的晶体结构，同时有效促进锂金属的均匀锂沉积，抑制锂枝晶的生长。更重要的是，原位冷粘合策略可以在室温下实现LLZ与Li的紧密粘合，避免了文献中常用的在高温下利用熔融Li反应形成MCL（HT-MCL）的方法来提升LLZ/Li界面。与熔融Li的使用相比，在室温下使用固体Li能够有效消除高温下处理金属锂可能发生的安全问题，提高样品制备的可操作性，降低能耗，为保持LLZ的界面稳定性和结构完整性做出了突出贡献，突出了该技术在LLZ/Li界面合理设计和优化方面的巨大潜力。该成果以“Constructing uniform and stable mixed conductive layer to stabilize the solid-state electrolyte/Li interface by cold bonding at mild conditions”为题，发表在期刊 Advanced Materials上，通讯作者为陈人杰教授和钱骥研究员，第一作者为硕士研究生陈怡。

【图文简介】

图1. 通过冷粘合构建的RT-MCL-LLZ与固体Li作为LLZ/Li界面的示意图。相比于热粘合方法（> 270 ℃），冷粘合方法（RT）有着明显的优势。

图2. 通过磁控溅射方法在LLZ表面构建InN薄层，所制备的InN层结构致密，纹理清晰，表面平整，与LLZ接触良好，是制备性能良好的MCL的前提条件。

图3. LLZ上的Li金属与InN层之间发生了通过冷粘合方法，实现原位室温转换反应，得到RT-MCL的直观证明。

图4. 使用RT-MCL的Li对称电池和LiFePO₄全电池的电化学性能，验证了原位形成的RT-MCL层对提高电池性能的作用。

图5. RT-MCL对降低界面阻抗和稳定LLZ结构与锂金属负极界面的贡献。

【结论】

本文报告了一种新的冷粘合策略，能简单而有效构筑混合导电层作为LLZ/Li界面。这种新方法基于预沉积InN层和锂金属在室温下的原位转化反应，在形成MCL上相比热粘合策略具有巨大的优势。所得到的RT-MCL能促进锂金属的均匀锂沉积，抑制锂枝晶的生长，同时也能有效抑制界面副反应，保护LLZ的晶体结构，为多功能化固态电解质/锂金属界面的研究发展提供了新的思路，也为固态电解质界面修饰改性开拓了新的方法策略。

Yi Chen, Ji Qian*, Xin Hu, Yitian Ma, Yu Li, Tianyang Xue, Tianyang Yu, Li Li, Feng Wu, Renjie Chen*. Constructing uniform and stable mixed conductive layer to stabilize the solid-state electrolyte/Li interface by cold bonding at mild conditions, Adv. Mater., 2023.

https://doi.org/10.1002/adma.202212096