石榴石基半固态电池负极Li3N@Li21Si5复合界面相的研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0057

摘要/Abstract

摘要：

石榴石型固体电解质具有离子电导率高、电压窗口宽的优点，但其面临的最大问题是与金属锂负极之间的高界面阻抗，因此制约着石榴石基固体电解质的发展。目前改进手段主要是采用合金修饰层加强界面浸润，但易导致锂枝晶生长。采用磁控溅射手段沉积氮化硅修饰层，极大增强石榴石电解质与金属锂的界面浸润，并将界面阻抗值由2 101 Ω降低至181 Ω。同时，对比纯Li₃N修饰层与Li₃N@Li₂₁Si₅修饰层电化学性能的差异。通过金属锂对称电池直流极化与NCM/Li半固态电池循环测试表明，Li₃N尽管具有一定的离子电导率，但由于其缺乏对锂的亲和性，导致其界面阻抗较高（1 123 Ω）；而Si的存在增强对锂的亲和性，因此所组装的金属锂对称电池直流循环可持续500 h以上。以镍钴锰622作为正极材料，首次放电比容量达到188.6 mA·h/g，石榴石基NCM/Li半固态电池循环300次后容量保持率可达85.3%。

关键词: 半固态电池, 石榴石, 复合界面相, 锂枝晶, 固体电解质

Abstract:

Garnet type solid electrolyte has the advantages of high ionic conductivity and wide voltage window，but the biggest problem it faced is the high interfacial resistance with lithium metal anode，which restricts the development of the garnet based solid-state batteries.At present，the main improvement method is to use alloy modification layer to strengthen the interfacial contact，but easily to lead to lithium dendrite growth.In this work，different from the conventional alloy interfacial modification layers，the application of magnetron sputtered silicon nitride modification layer could greatly increase the interfacial affinity between garnet electrolyte and lithium metal，and reduce the interfacial resistance from 2 101 Ω to 181 Ω.At the same time，the electrochemical properties of pure Li₃N modified layer and Li₃N@Li₂₁Si₅ modification layers were compared.The direct current（DC） polarization of Li symmetric cells and NCM/Li hybrid solid-state batteries cycling tests showed that although Li₃N was ionic conductive，it had a high interface impedance（1 123 Ω） due to its lack of affinity for lithium.The existence of Si enhanced the lithium affinity，so the assembled Li symmetric battery lasted more than 500 h DC cycle.Using nickel cobalt manganese 622 as the cathode material，the specific capacity of the initial discharge was 188.6 mA·h/g.and the capacity retention rate of garnet based NCM/Li hybrid solid-state battery was 85.3% after 300 cycles.

Key words: hybrid solid-state battery, garnet, composited interface phase, lithium dendrite, solid electrolyte

中图分类号:

TQ131.11

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图/表 7

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