复旦《AFM》：原位观察揭示全固态电池高界面电阻的机理

全固态锂离子电池由于其高能量密度和优异的安全性，被认为是下一代离子电池最有吸引力的候选者。虽然某些固体电解质的锂离子导电率很高，但固体电解质-电极界面的大接触电阻严重阻碍了固态电池的大规模应用。因此，解决高界面阻抗问题是发展高能量密度全固态电池的关键。大的界面电阻对全固态锂离子电池的性能起主导作用。然而，界面阻力的机理一直存在争议。
来自复旦大学等单位的研究人员，研究了LiCoO2(LCO)/LiPON/Pt全固态电池中的Li+在界面区的输运，揭示了高Li+转移阻抗的原因。研究发现， LCO/LiPON界面存在一种意想不到的纳米晶层和一种结构无序的过渡层，这两种过渡层都是LCO/LiPON界面固有的。在电化学条件下，纳米晶层具有不完全的电化学稳定性，在电化学循环过程中会引入空洞，这是固体电解质-电极界面高Li+转移阻抗的根源。此外，在相对较低的温度下，氧空位在过渡层中的迁移导致Co3O4纳米晶层的形成，形成纳米空洞，这有助于获得高的Li+转移阻抗。这项工作揭示了高界面电阻的机理，并促进了克服全固态电池中的界面问题。
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总之，原位EH和透射电镜观察为观察由纳米晶层和过渡层组成的界面层高Li+转移阻抗的来源提供了一个难得的直接观察的机会。较高的界面电阻归因于纳米晶层有限电化学作用下空洞的形成。尽管过渡层表现出比纳米晶层更好的电化学稳定性，但氧空位浓度较高的过渡层表现出热脆性。氧空位迁移驱动的Co3O4纳米晶层的存在是界面层Li+迁移的关键。因此，过渡层的热易损性是高界面电阻的另一个原因。这项工作对界面层与高界面阻抗之间的关系提供了新的见解，并将激发设计高性能全固态电池的新思路。（文：SSC）

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图1.全固态电池的电化学特性

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【复旦《AFM》：原位观察揭示全固态电池高界面电阻的机理】图2.界面层的TEM表征

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图3.界面层中Li+输运的原位观察

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图4.固态电池充电过程中的透射电镜原位观察。

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图5.加热过程中界面层热分解的原位观察。

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图6.加热过程中界面层的演化。