在我校中国科学院外籍院士李永熙教授亲自指导下，材料与化学工程学院青年教师向兴副教授在材料科学领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（自然指数期刊，中科院一区Top期刊，影响因子18.5）上发表题为“Enhancing Ion Transport and Suppressing Electron Conduction: a Hybrid Interlayer for Stable Garnet-Based Solid-State Batteries”的研究论文。
立方相Li7La3Zr2O12（LLZO）因其高离子电导率（10-3 S·cm-1）、宽电化学窗口（>5 V）以及与锂金属接触稳定而有望作为固体电解质应用于固态锂电池中。然而，其锂枝晶的生长极大影响了LLZO基固态电池的发展。锂负极界面的锂离子和电子传导性是影响LLZO基固态电池锂枝晶生长的重要因素：锂离子在Li/LLZO界面上的扩散能力较差，与LLZO的高锂离子扩散能力和需应用的高电流密度不匹配；从锂负极泄露到LLZO的电子易与锂离子结合成锂枝晶。因此，调控LLZO与锂负极界面的锂离子和电子传输对于抑制固态电池的锂枝晶生长，进而促进电池稳定运行具有重要意义。
该研究了利用Zn2SnO4（ZSO）和锂金属通过原位反应来构筑混合锂负极界面中间层，该混合中间层由合金相（LiZn, Li22Sn5, Li5Sn2）和Li2O组成。一方面，由于Li5Sn2合金相的扩散能力高于Li22Sn5和LiZn，因而相较于Li22Sn5和LiZn相，能够进一步增强锂离子的迁移能力；另一方面，电子绝缘的Li2O可以有效抑制电子从锂负极向LLZO传输；此外，与LLZO有着强亲和性的LiZn增强了锂负极与LLZO的接触性。通过这种界面工程，Li/ZSO-LLZTO/Li对称电池的室温临界电流密度可达2.5 mA cm-2，在60 ℃时可达3.8 mA cm-2。且锂对称电池和LiFePO4/ZSO-LLZO/Li和NCM811/ZSO-LLZTO/Li电池均表现出优良的循环稳定性。
通过ZSO与Li金属的原位反应，构筑了混合锂负极界面中间层，该混合中间层由LiZn、Li22Sn5、Li5Sn2合金相和Li2O组成。得益于Li5Sn2合金相的快速传导锂离子、电子绝缘的Li2O阻塞电子迁移，LiZn合金相与LLZO间的强亲和性的协同作用，Li/ZSO-LLZTO/Li对称电池的室温临界电流密度可达2.5 mA·cm-2，且能在0.3 mA·cm-2的电流密度下稳定循环2500 h。LiFePO4/ZSO-LLZTO/Li和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/ZSO-LLZO/Li电池可在2 C下稳定运行。
【文章链接】
X. Xiang, C. Du, R. Zhao, Z. Zhao, X. Ji, D. Liu, Z. Li, H. Wang, Y. Zhang, Y. Zhao, X. Liu, F. Chen, J.-F. Wu, Enhancing Ion Transport and Suppressing Electron Conduction: A Hybrid Interlayer for Stable Garnet-Based Solid-State Batteries. Adv. Funct. Mater. 2025, 2426002.
https://doi.org/10.1002/adfm.202426002
【第一作者介绍】
向兴，湖北工业大学副教授，主要从事固体电解质及其负极界面研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、湖北省自然科学基金青年项目等国家和省部级项目。发表研究论文30余篇。
