黄云辉教授、罗巍教授， Chem：消除锂离子在液体电解质-LLZO固体电解质界面迁移阻抗- 大数跨境

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黄云辉教授、罗巍教授， Chem：消除锂离子在液体电解质-LLZO固体电解质界面迁移阻抗

科学材料站

2022-04-02

导读：本文选取了反应活性强的液体电解质体系，对Ta掺杂的LLZO固体电解质在商用LiPF6-EC/DEC电解质中的分解机制进行了系统研究

文章信息

消除固液混合电池体系内固-液电解质界面的锂离子迁移阻碍

第一作者：黄立强，付皓予

通讯作者：黄云辉*，罗巍*

单位：同济大学，华中科技大学

研究背景

在众多的无机固体电解质材料中，石榴石型固体电解质锂镧锆氧（LLZO）对锂金属负极具有良好的化学兼容性、较高的室温离子电导率和宽的电化学稳定窗口，被认为是一类非常有吸引力的固态电池电解质材料。但是，在应用中，LLZO固体电解质无法像传统液体电解质一样充分地浸润多孔正极材料形成足够的接触面积，导致电解质-电极间的锂离子传输效率降低。

为了改善电解质-电极间的物理接触问题，通常会在LLZO电解质与电极间引入柔性的有机电解质夹层（包括聚合物及液体电解质等）或将LLZO粉末与聚合物电解质复合使用。然而，由于LLZO的化学稳定性较差，在二氧化碳和水作用下，表面会持续形成一定厚度的碳酸锂分解层，不断增加锂离子在界面处传输的阻抗，制约了电池的充放电容量和循环稳定性。

为了提升有机-无机复合电解质的性能，推动无机固体电解质走向实际应用，我们需要厘清无机固体电解质与有机电解质界面的化学反应过程，并开发一种合适的手段来抑制界面副反应的发生。

文章简介

基于此，同济大学的罗巍教授与华中科技大学的黄云辉教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下Chem期刊上发表了题为“Negating Li⁺ transfer barrier at solid-liquid electrolyte interface in hybrid batteries”的最新研究成果，黄立强博士和付皓予博士为论文共同第一作者。

研究团队选取了反应活性强的液体电解质体系，对Ta掺杂的LLZO固体电解质在商用LiPF₆-EC/DEC电解质中的分解机制进行了系统研究，作者认为有机电解质体系中难以去除的痕量水是界面反应的主要诱因，造成其与LLZO表面的Li⁺发生了Li⁺/H⁺交换，并因电池循环中产生的CO₂加剧了副反应的进行；同时，有机电解质中的锂盐分解产物及其衍生低聚物可以作为粘结剂，将LLZO与表面分解产物互相粘结，共同构建了~200nm厚的固液界面中间相，产生巨大的离子迁移阻抗。

作者根据该界面反应机制，首次引入单分子自组装层（SAMs）对LLZO进行表面修饰。通过酸性分子溶液的处理调控LLZO表面的Li⁺浓度，抑制了原位离子交换反应的发生；并在LLZO表面形成纳米尺寸的分子保护层，阻碍电解质内的有机分解产物在LLZO表面的化学吸附，成功地将固液界面阻抗降低到1Ω cm²以下。