近年來，固態電池（SSBs）因其更安全，並且可能提供更高的體積能量密度，而引起了人們的強烈興趣。使用不可燃的固體電解質可以製造出在惡劣的環境下仍然安全的電池。此外，SSB實際上可以使用擁有最高理論容量的鋰金屬作為負極材料，
能夠有效阻擋枝晶的產生，從而解決傳統鋰金屬電池中鋰枝晶生長的問題。其中，基於Li7La3Zr2O12（LLZO）的石榴石型固體電解質被認為是一種很有前途的候選材料。然而，在使用LLZO基固態電解質的鋰金屬電池仍然會出現過早電路的現象，這主要是因為鋰金屬的生長穿透LLZO而引起的。
最近的幾項研究表明，鋰會在原有的缺陷中局部沉積，造成裂紋尖端應力的積累和相應的裂紋擴展，從而最終導致固體電解質機械失效。因此，確保電極/固體電解質界面層的化學和物理穩定性對於固態電解質在電池中的應用至關重要。目前尚不清楚界面間層的存在是如何改變電化學反應中的沉積機制，以及鋰在具有特定缺陷的界面上的生長情況。在電化學反應過程中直接探測這些界面狀態將大大豐富對於機理的理解，並激發對其的調控策略。
近日，韓國首爾大學Kisuk Kang教授通過無負極固態電池實時探測了金屬鋰通過LLZO基固態電解質的沉積過程，闡明瞭LLZO界面的化學問題。相關論文以題為“The Role of Interlayer Chemistry in Li-Metal Growth through aGarnet-Type Solid Electrolyte”發表在Adv.Energy Mater.上（IF=24.88）。
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903993
在這項研究中，作者成功地搭建了一種無負極的固態電池裝置，利用顯微鏡實時探測了鋰金屬通過LLZO固態電解質的鋰沉積形貌。這種簡單而新穎的技術有助於直接見證工作中的鋰金屬電池的鋰在LLZO表面缺陷處或者人工修飾層上的沉積行為。研究表明，鋰金屬的沉積形貌受到LLZO表面幾何形狀的強烈影響，尤其是在形貌缺陷處，會導致不均勻鋰沉積，從而引發枝晶生長。
圖1. 原位操作系統及鋰沉積行為
圖2. 在LLZO表面修飾金層之後鋰沉積行為
更加重要的是，當LLZO表面被人工中間層修飾以產生調節的鋰沉積的作用時，鋰的生長行為將會發生顯著變化。值得注意的是，當使用金作為中間層時，能夠明顯的改善鋰的沉積行為。同時，鋰的生長動力學在很大程度上取決於層間物質的性質，從而導致不同的鋰沉積形貌。在此基礎上，進一步討論了不同的中間層作為鋰再分配和沉積的緩衝層和種子層，在電池運行中的動態作用。
圖3. 不同中間層的成核動力學和合金性質與鋰沉積/剝離行為的關係
通過本文的研究，發現中間層不僅會影響沉積過程，而且會影響隨後的剝離過程，從而影響整個固態電池的界面動力學和電化學性能。這些發現拓寬了研究者對固體電解質/鋰界面電化學鋰沉積/剝離過程的理解。考慮到在LLZO表面中間層修飾的容易性及其廣泛的適用性，希望藉此為發展更加安全的固態電池提供指導性的方案。
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