石榴石型固態電解質(SSE),通常為Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZT),對下一代鋰金屬電池(LMB)具有巨大潛力。然而,活性Li+含量高的LLZT對空氣敏感,會形成絕緣和疏鋰雜質,從而危及它的實際應用。
在這里,中科院化學所An-Min Cao證明了LLZT顆粒(CF-LLZT)的殼局部Fe3+摻雜可確保高空氣穩定性和鋰兼容性,而不會損害其離子電導率。
文章要點
1)簡而言之,首先將Fe2O3納米薄膜沉積在LLZT基底上,然后進行高溫燒結將Fe3+驅入下面的LLZT,形成Li+缺陷殼,而本體結構保持不變。這種表面修復的LLZT可以將空氣暴露時間延長至1個月,而不會形成Li2CO3雜質。
2)Li/CF-LLZT/Li對稱電池表現出6 Ωcm2的低界面電阻(Li/LLZT/Li為1580Ωcm2)和穩定的電化學性能(>5000小時)。使用不同正極材料(尤其是LiFePO4和LiNi0.83Co0.07Mn0.1O2)組裝的LMB表現出高可逆容量和良好的循環能力。
3)與本體Fe3+摻雜不同,本體Fe3+摻雜會導致Li+電導率顯著下降,使其不適合用于SSE,研究強調了SSE表面結構調制的重要性,這是一種有效的研究途徑,可以規避界面挑戰,促進其未來的商業化。
參考文獻
Sijie Guo, et al, Air-stable and Lithium-compatible Garnet Pellet Enabled by Surface Doping for High Performance Solid-state Batteries, Energy Environ. Sci., 2024
DOI: 10.1039/D4EE03199G.