西南大学包淑娟教授CEJ：FEC驱动表面转换反应构建空气稳定亲锂的LLZTO用于稳定的锂电池

第一作者：李秋林

通讯作者：徐茂文*，包淑娟*

单位：西南大学

在全球能源转型的浪潮下，储能技术的革新成为了研究热点，固态电池以其高的能量密度和安全性，成为下一代高比能电池技术领域中的有力竞争者。石榴石型固态电解质由于其高的离子电导率、优异的电化学稳定性，宽的电化学窗口和高的杨氏模量，作为锂金属电池的固态电解质具有巨大的应用前景。然而石榴石型固态电解质化学稳定性较差，容易吸收空气中的H₂O和CO₂而生成Li₂CO₃表面层。由于 Li₂CO₃是非离子导体，会降低电解质的整体离子电导率。此外，Li₂CO₃的亲锂性较低，这会大幅增加固态电解质与锂负极之间的界面阻抗，导致电池的循环稳定性较差。因此通过电解质改性策略，抑制石榴石电解质表面的非离子导电层Li₂CO₃的生成，对于推动石榴石固态电解质的进一步大规模应用具有非常重要的意义。

创新性地使用FEC热处理LLZTO，在 LLZTO 表面原位形成亲锂性富含 LiF 的有机层。在整个反应中，FEC 在高温下脱氟生成 HF 和碳酸乙烯酯 （VC），产生的HF会和LLZTO表面的Li₂CO₃杂质发生反应生成亲锂的LiF。与此同时，VC 在路易斯酸或碱的催化作用下，发生聚合反应。随着反应的进行，最终在 LLZTO 表面形成了一层富含 LiF 的有机层。有机层均匀地分布在LLZTO表面，可以有效防止LLZTO和空气中的水和二氧化碳接触。

基于干法制备了超薄的柔性FEC-LLZTO膜（24 μm），其离子电导率为6.9*10^-4 S cm^-1，优于相同方法制备的LLZTO膜（3.9*10^-4 S cm^-1）。超薄的厚度和优异的离子电导率可以有效降低电池的极化电位，增强电池的倍率性能和稳定性。

有机包覆层可以显著抑制 LLZTO 表面 Li₂CO₃杂质的再次生成，为 LLZTO 在环境条件下的长期稳定应用提供了有力保障。此外，富含LiF的有机层具有良好的亲锂性，有助于在Li负极表面形成稳定的SEI层。Li/FEC-LLZTO/Li对称电池在Li⁺沉积/剥离过程中表现出平坦的电压平台，并且在循环超过2100 h后具有稳定的电压滞后。证明FEC-LLZTO/Li之间具有稳定的离子传输通道，可以在Li负极实现稳定的Li⁺沉积/剥离反应。

使用磷酸铁锂作为正极，FEC-LLZTO作为电解质膜组装的LFP/FEC-LLZTO/Li电池表现出良好的倍率性能。在0.5C倍率条件下循环500圈后容量保持率高达97.5%，1C倍率下循环800圈后容量保持率在95%以上。证明这一策略在实际应用过程中具有一定的应用潜力和意义。

石榴石型固态电解质由于具有良好的离子电导率，正负极兼容性而成为了研究热点。但是其在空气中差的稳定性被人诟病，本论文通过简单的FEC热处理，不仅实现了表面Li₂CO₃杂质的去除，还增加了LLZTO的空气稳定性和亲锂性。该方法简单易行，为实现LLZTO的稳定性提供了新的思路。更为重要的是，这一创新策略具有广泛的通用性，有望推广应用于其他石榴石型固态电解质体系。

FEC-driven surface conversion reaction to construct lithiophilic and air-stabilized LLZTO for durable lithium battery。

包淑娟教授简介：博士生导师，兰州大学博士，新加坡南洋理工大学博后，美国得州大学奥斯汀分校访问学者。从事纳米材料构筑及电化学界面研究。在Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Angew., Chem., Appl. Catal. B-Environ. 等学术期刊上发表SCI学术论文230余篇，他引1.49万次，H-index 为65，6篇入选百分之一影响力文章。入选美国斯坦福大学发布的2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022）。

徐茂文教授简介：西南大学教授、博士生导师。主要研究钠离子电池，锂/钠硫电池和水系锌离子电池等新能源材料。在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed等国际知名期刊上发表SCI论文300余篇，引用超过1.4万次，H-index大于62，入选“2023年全球学者学术影响力排行榜”和“全球顶尖科学家”榜单。

李秋林：西南大学材料与能源学院在读博士生，指导老师为包淑娟教授。研究方向为固态电池。