京浦国立大学首次证明基于能带理论的界面建模确实有效

颗粒在线讯：金属锂负极(LMA)与无机固态电解质(SSE)之间的界面不稳定性是全固态锂金属电池(ASSLB)中的一个关键问题。以往的研究主要集中在界面修饰方法，以实现ASSLB的长期循环稳定性。然而，如果不深入了解LMA-SSE接口，战略制定仅限于现象学解决方案。此外，充电电池是通过电场内的电荷行为来操作的，这一事实经常被忽视。

来自京浦国立大学的学者本文首次证明了基于能带理论的界面建模确实有效地克服了单晶硅材料的固有脆弱性。钛化合物自诱导过渡层(TSI)形成了界面能垒，避免了由于电子从LMA向SSE表面的非理想传输而引起的界面劣化。具有TSI的锂对称电池在1000次循环中成功地保持了恒定的过电位，阻抗显著降低，而没有界面修饰的锂对称电池表现出不稳定的电压特性，很容易被重复的充放电过程破坏。这种新引入的方法是一种信息丰富的工具，可以大大加强对全固态电池中界面现象的基本理解。此外，创新的界面改进有望满足汽车应用对稳定性的严格要求。相关文章以“Interface Modeling via Tailored Energy Band Alignment: Toward the Electrochemically Stabilized All-Solid-State Li-Metal Battery”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202107555

图1.通过定制能带对齐实现界面建模的效率。a)Li/LATP/Li界面劣化示意图。m)LMA-SSE界面上自感过渡层的效应示意图。c)充电过程中Li/LATP/Li半部分的能带图。d)充电时Li/TSi@LATP@TSi/Li半部分的能带图。

图2.锂对称电池的电化学性能。a)比较Li/LATP/Li和Li/Ti@LATP@Ti/Li在0.05 mA cm−2电流密度下200次循环的电压分布。b)Li/LATP/Li在0.05 mA cm−2下200次循环的阻抗数据.c)Li/Ti@LATP@Ti/Li在0.05 mA cm−2下200次循环的阻抗数据.

图3.施加的夹层的表面分析。a)成环前的镀钛LATP照片。b)(a)中样品的扫描电镜图像。c)(a)中样品的GIXRD数据。d)在0.05 mA cm−2下循环200次后，从Li/Ti@LATP@Ti/Li中分解出钛沉积的LATP的照片。(d)的插图是从同一Li对称电池中拆卸出来的锂金属阳极。e)(d)中样品的扫描电镜图像。f)(d)中样品的GIXRD数据。

图4。系统设计的中间层对LMA-SSE界面稳定性影响的电化学分析。横截面HAADF-STEM和EDS映射图像a）循环前钛沉积的LATP，b）从Li中拆卸的钛沉积的LATP/Ti@LATP@在0.05mA cm-2下200次循环后的Ti/Li. c）通过（b）中样品的不同蚀刻时间的Ti 2p XPS光谱演变。

综上所述，本文论证了通过能带排列实现界面稳定的重要意义。这一创新策略得到了广泛接受的能带理论和常规电化学分析的充分支持，成功地解决了ASSLB研究领域遗留下来的长期问题。在电解液表面沉积纳米钛可以有效地改善LMA-SSE界面的本质不稳定状态。与未经界面修饰的锂对称电池相比，镀钛LATP锂对称电池的电化学可靠性显著提高。此外，界面修饰电池在不同电流密度下的长期循环过程中保持了电化学稳定性和电学均匀性。这种改善是通过在阳极-电解质界面形成稳定的锂离子导体和电子的自诱导中间层来实现的。此外，这种新引入的基于能带理论的分析方法确实确定了锂离子导电固体之间的物理稳定性。中间层和电解质的能带排列引起界面能垒，阻碍了电子的传输。随后，电池组件可以在重复充放电过程中保持其功能。这些研究成果有望为实用化全固态电池的发展做出重大贡献，说明固态电解质与绝缘性液体电解质不同，具有半导电性。最后，本研究提出电化学和固态物理的交叉研究对于电池技术的突破是必要的。