PEO-ZnO缓冲层对Li|LATP界面稳定性的研究

钠超离子导体(NASICON)型Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)由于其高的锂离子电导率、对空气的高稳定性和低成本而成为最有前途的固态电解质之一。然而，由于其与锂金属的高度不相容性，LATP的应用并不广泛。在此，提出了一种简单且方便的涂层方法在LATP上构建氧化锌聚合物电解质层(PEO-ZnO|LATP)，除了保护LATP外，该界面PEO-ZnO层还能够提高Li离子迁移数，降低Li|LATP界面阻抗，与PEO|LATP相比，引入1 wt.% ZnO的Li|PEO-1ZnO|LATP|PEO-1ZnO|Li对称电池在0.1 mA∙cm−2电流密度下能够稳定循环700 h，而Li|PEO|LATP|PEO|Li对称电池在0.1 mA∙cm−2电流密度下仅循环520 h。组装的全电池LiFePO4|LATP|PEO-1ZnO|Li固态电池在0.1 C倍率下提供154.3 mAh∙g−1的比容量，200圈循环后容量保持率为87%。本研究提供了一种简便的涂层策略来解决Li|LATP界面副反应问题，并开辟了在固态锂金属电池中应用的可能性。

近30 年来，锂离子电池得到了快速发展，在便携式电子设备、电动汽车、发电站、军事设备等储能领域发挥了主导作用[1]。然而，传统的锂离子电池无法满足对高能量密度能量存储系统的需求[2]。金属锂因其极高的理论容量和较低的氧化还原电位而被认为是取代商用石墨阳极的理想选择，从而开启了高能量密度锂金属电池的大门[3]。然而，锂在液态电解质形成不稳定的SEI 界面和锂枝晶枝状生长，导致库仑效率低和安全性问题，阻碍了液体锂金属电池的广泛应用[4]。固态电池(SSBs)通常被认为是一种理想的解决方案之一，使用固态电解质(SSEs)来代替易燃的液体电解质[5]。由于SSE 具有较高的杨氏模量和优异的力学性能， 使得金属锂的安全应用成为可能。

因此， 人们对开发高性能SSE 进行了不懈的研究， 如钠超离子导体(NASICON)结构化合物、石榴石。NASICON 结构的SSE 因其具有对空气稳定性好、离子电导率高和原料来源广等优点[6]。因其对空气具有较为优异的化学稳定性以及易于制备和低成本而具有较好的应用前景。

其中， Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)因其在室温下具有较高的Li+电导率(10−4~10−3 S∙cm−1)， 而受到越来越多的关注[7]。

尽管有上述优点，但LATP 本质上有一个致命的缺点，当LATP 与锂金属直接接触时，由于锂金属与LATP 固态电解质的界面会发生副反应LATP 中的Ti4+会被锂还原成Ti3+， 导致负极界面产生分层。

又因为LATP 和锂金属都是固体，固固接触就使得界面阻抗过大，从而使得锂枝晶很容易生长破坏电解质层，最终导致电池失效[8]。为了实现LATP 的实际应用，提高LATP 电解质对金属锂界面稳定性的研究可分为三个方面：元素掺杂[9]。无机表面改性[10]。聚合物表面改性[11]。得益于聚合物的电绝缘性和柔韧性， 这种方法不仅可以使LATP 与Li 分离， 还可以减轻界面接触电阻[12] [13]。

2019 年， 中南大学Zelin Yang 提出通过引入聚合物PEO 作为中间层来降低界面阻抗，抑制界面副反应的方法，PEO 作为应用最广泛的柔韧性聚合物固态电解质基体材料，自首次报道以来，因其可加工性和耐化学稳定性优异而受到广泛关注[14]。

然而， PEO 固态电解质在室温下通常具有非常低的离子电导率(10−6~10−8 S∙cm−1)， 而且PEO的力学性不够高无法阻挡锂枝晶的穿透， 无论如何改造聚合物PEO 的力学强度均无法从根本上超过锂金