使用锂（Li）金属负极和固态电解质（SSE）的固态电池（SSB）既可以提高能量密度，又可以通过避免使用易燃液体电解质来提高电池整体安全性。菱沸石型Li6PS5Cl陶瓷因在室温下具有高离子电导率（41 mS cm-1）和相对延展的机械性能，是一种有吸引力的SSE候选材料。然而，SSE和锂金属之间的界面接触问题阻碍了固态锂金属电池的实际发展。
英国牛津大学Peter G. Bruce课题组提出了一种通过引入薄的非晶LiPON中间层来改善界面接触并稳定Li6PS5Cl和锂金属负极之间界面的策略。研究人员认为薄的LiPON中间层有利于锂离子跨界面迁移，其具有一定程度的柔韧性，可以改善SSE和锂金属之间的机械接触，并且可以应用于其他类型的SSE，甚至扩展到所有以锂金属为负极的固态电池
。实验首先对Li6PS5Cl
SSE的顶面进行扫描电镜（SEM）表征，结果显示该材料存在微米级晶粒，且松散堆积，大多数晶粒大于5毫米。随后进行电化学阻抗（EIS）分析，在25℃和30℃时，锂离子电导率分别为6.7 mS cm-1和8.3 mS cm-1，且随温度的增加而增加；为了了解Li6PS5Cl
SSE和锂金属负极之间界面处的LiPON层的形态，采用一系列表征技术，结果表明Li6PS5Cl SSE和锂金属电极之间的界面处已经沉积了一层均匀且薄的LiPON中间层；为了表征薄LiPON涂层的电化学特性，对具有两个Pt电极的较厚溅射LiPON薄膜样品进行了电化学阻抗分析，发现溅射的LiPON薄膜是连续、无定形的，并且具有合适的界面间离子电导率。对其进行临界电流密度分析，结果表明Li/Li6PS5Cl/Li对称电池的临界电流密度为1.0 mA cm-2，而Li/LiPON/Li6PS5Cl/LiPON/Li对称电池的临界电流密度显著提高近3倍，达到2.7 mA cm-2。这一结果说明，LiPON涂层能有效改善Li6PS5Cl
SSE和锂金属负极之间共界面接触性能，稳定界面电压，抑制孤立锂枝晶与锂金属电极接触导致的短路。同时界面电阻分析得出，添加薄的LiPON中间层有助于显著降低界面电阻，并可能促进Li6PS5Cl
SSE和锂金属负极之间的有效锂离子交换。最后为了解高极化下SSE和锂金属之间界面处的局部锂传质过程，研究人员通过在每个半周期后进行10分钟的弛豫步骤，对Li/LiPON/Li6PS5Cl/LiPON/Li对称电池进行临界电流密度测量，与没有弛豫过程的临界电流密度测量相比，临界电流密度从2.7 mA cm-2增加到4.1 mA cm-2，相应的最大极化电压从20 mV增加到80 mV。通过这种简单的弛豫过程可以提高后续循环中锂离子传输的均匀性，从而稳定电压极化效应，并在对称电池中实现更高的临界电流密度值。综合以上结果可知，LiPON薄膜涂层能显著改善SSE与锂金属负极之间的界面接触并实现界面的稳定，对克服固态锂金属电池实际应用中界面不稳定性提供了一种有效解决策略。
图1 Li6PS5Cl固态电解质形貌及元素表征示意图
本项研究通过射频（RF）溅射的方法在对称电池中引入较薄非晶态和锂离子导电锂磷氧氮化物（LiPON）中间层，实现了Li6PS5Cl固态电解质和锂金属负极之间界面阻抗的显著降低，低至1.3 Ω cm-2。在0.5 mA cm-2下能稳定锂电镀/剥离循环超过1000小时，在30℃下临界电流密度高达4.1 mA cm-2。这种薄膜涂层策略将有助于改善固态电解质和锂金属负极之间的接触，稳定界面并促进固态锂金属电池稳定高效的商业化应用。相关研究成果发表在《Energy &
Environmental Science》。
原文来源：Su J, Pasta M, Ning Z Y, et al. Interfacial modification between
argyrodite-type solid-state electrolytes and Li metal anodes using LiPON
interlayers. Energy & Environmental
Science, 2022, DOI: 10.1039/d2ee01390h.
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