近年來，以鋰電池為動力來源的混合動力電動汽車和純電動汽車逐漸成為了人們日常出行的主要交通工具，儘管如此，不甚理想的續航問題被廣大消費者所詬病。此外，基於液態電解質的鋰電池由於鋰枝晶的生長造成熱管理失效引起電動汽車自燃的安全事故時有發生。因此，基於具有更低電勢的鋰金屬負極和更高機械強度的固態電解質的全固態鋰電池成為了下一代動力電池的有力競爭者，但固態電解質與正極和負極之間糟糕的固固接觸，使得全固態鋰電池很難在室溫下運行。
近日，北京理工大學材料學院高洪才教授、金海波教授在《Chem. Eng. J.》期刊上發表了題為「Minimizing the interfacial resistance for a solid-state lithium battery running at room temperature」的論文（DOI：10.1016/j.cej.2022.137740）。本論文合成了室溫下具有高鋰離子擴散係數的陶瓷基Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3（LAGP）固態電解質，而後在其表面原位聚合固化了一層凝膠態聚合物電解質層（GPE），其中GPE層抑制了LAGP與Li發生的副反應，提高了LAGP與正極和Li負極的固固接觸，極大的降低了界面電阻。該方法既不需在固態電解質和電極兩端施加額外壓力，也不需對電極材料進行額外處理，裝配而成的全固態鋰電池在室溫下表現出非常優異的電化學性能。
圖1（a）LAGP表面原位聚合GPE層的製備過程示意圖。（b）LAGP的晶體結構示意圖。（c）PMMA的化學結構。（d）基於LAGP全固態鋰電池的裝配示意圖。
與基於LAGP裝配而成的全固態鋰電池（圖1d）相比，通過在LAGP表面原位聚合基於poly(methyl methacrylate)（PMMA，圖1c）的GPE層，很好的填補了LAGP與電極之間的空隙，提高了固固接觸。
圖2（a）LAGP斷面的SEM圖。（b）LAGP-GPE表面的SEM圖。（c）GPE層的厚度。（d）不同溫度下LAGP的EIS圖。（e）根據阿侖尼烏斯公式計算LAGP的活化能。（f）Li/LAGP/Li和（g）Li/LAGP-GPE/Li在30 °C靜置不同時間後的EIS圖。（h）本論文合成製備的LAGP與其他相關文獻關於鋰離子擴散係數與活化能（Ea）的對比圖
通過優化製備工藝得到的LAGP在30 °C時鋰離子擴散係數為4.28×10-4Scm-1（圖2d），活化能為0.25 eV（圖2e），優於其他相關文獻。如圖2c所示，LAGP表面原位聚合的GPE層層厚為8.85 μm，GPE層的存在可以有效阻礙LAGP與Li發生副反應（圖2f和2g）。
圖3（a）測試溫度為25 °C時，Li/LAGP/Li和Li/LAGP-GPE/Li對稱電池在0.1 mAcm-1下的恆電流循環曲線。（b）LAGP和（c）LAGP-GPE在1.0 mVs-1下的CV曲線。（d）Li/LAGP/Li循環測試後鋰金屬表面的SEM圖。（e）Li/LAGP-GPE/Li循環測試後鋰金屬表面的SEM圖。
如圖3a所示，與Li/LAGP/Li相比，Li/LAGP-GPE/Li可以循環超過1000小時。如圖3e所示，在循環測試後，與LAGP-GPE接觸的鋰金屬表面仍然光滑，證明GPE層抑制了鋰枝晶的生長。
圖4（a）Li/LAGP/Li和（b）Li/LAGP-GPE/Li在不同溫度下的EIS圖。（c）LAGP表面和（d）LAGP-GPE表面的粗糙度和楊氏模量。
由於LAGP-GPE表面具有比LAGP小兩個數量級的楊氏模量（圖4c和4d），Li/LAGP-GPE/Li展現出比Li/LAGP/Li小兩個數量級的界面電阻（圖4a和4b）。
圖5（a）LiFePO4/LAGP-GPE/Li全固態鋰電池在不同倍率下的充放電曲線。（b）LiFePO4/LAGP-GPE/Li全固態鋰電池的在不同倍率下的電化學性能。LiFePO4/LAGP-GPE/Li全固態鋰電池在（c）0.2C和（d）1C倍率下的循環性能。（e）基於本論文製備的LAGP-GPE組裝而成的全固態鋰電池與其他相關文獻關於電化學性能的對比圖。
如圖5所示，在25 °C的測試溫度下，基於本論文LAGP-GPE組裝而成的LiFePO4/LAGP-GPE/Li全固態鋰電池在0.1C下展現出首循環放電比容量為159.8 mAhg-1的優異電化學性能，其倍率性能甚至優於其他相關文獻在較高測試溫度下測得的電化學性能。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137740
北京理工大學材料學院為本論文的第一通訊單位，博士研究生王乾晨為該論文的第一作者，通訊作者為高洪才教授和金海波教授。
高洪才教授，北京理工大學特立青年學者，海外高層次人才引進計劃青年項目，主要從事新型電池關鍵材料與電池結構設計的研究，重點在鋰離子電池、鈉離子電池及全固態電池等領域開展研究工作。2013年博士畢業於新加波南洋理工大學，2013-2019年於美國德克薩斯大學奧斯汀分校John B. Goodenough課題組從事博士後工作，目前已在J. Am. Chem. Soc., Angew.Chem. Int. Ed., Chem, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊發表研究論文50餘篇，總被引用次數6000餘次。
金海波教授，北京理工大學材料學院黨委書記，主要從事智能材料設計與器件製造和高密度能量存儲與轉化材料等方面的研究工作。1999年博士畢業於東北大學，作為通訊作者或第一作者在Adv. Mater.等材料類專業期刊發表SCI論文60餘篇，SCI他引6000餘次，獲授權專利15項，作為主編出版教材2部。先後入選教育部新世紀人才、北京市科技新星、北京市優秀人才等支持計劃。相關進展
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