1.研究背景
Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12 (LLZTO)由於其寬廣的電化學窗口、高的離子電導率以及對鋰金屬優異的穩定性而受到了人們的廣泛關注。然而，由於LLZTO與鋰之間嚴重的固固界面阻抗問題，其實際應用受到了嚴重阻礙。而本研究便是通過磁控濺射方法在LLZTO表面構建了一層超薄的Al-Si界面緩衝層(10nm，90%Al，10%Si)，該緩衝層通過Al-Si層與Li金屬之間的合金化反應，使Li和LLZTO表面具有良好的界面潤濕性。
圖1 磁控濺射構建Al-Si緩衝層示意圖
2.研究內容
該研究首先通過XRD對材料進行表徵，通過與標準卡片的對比表明實驗成功合成了立方相的LLZTO，同時當濺射層厚度達到100nm時，能成功發現Al-Si合金的特徵峰，結合EDS中LLZTO表面Al、Si元素均勻分布的檢測結果，便能夠證實在LLZTO表面成功濺射了均勻的Al-Si合金層；並且SEM圖像中光滑的LLZTO顆粒（圖b、c）在表面改性後表面變的粗糙，這也進一步表明了Al-Si合金層的成功覆蓋。
圖2 對材料的各項表徵技術與結果
隨後該研究通過界面潤濕實驗，表明Al-Si合金層能夠有效提高鋰金屬與LLZTO之間的界面潤濕性，而阻抗圖中Al-Si合金層的鋰對稱電池（ASL）的阻抗值明顯小於裸LLZTO對稱電池的阻抗值（圖e），這也進一步證實了Al-Si合金層的表面改性效果。為了進一步探究表面改性的效果，研究還探究了不同厚度緩衝層的性能（圖f），結果表明當測控濺射緩衝層厚度為10nm時能夠達到最佳的改性效果。
圖3 界面潤濕實驗以及不同對稱電池阻抗圖像
緊接著為了驗證Al-Si緩衝層與Li金屬在界面處的反應機理，本研究對材料進行了XPS表徵；由圖像可以看出合金化反應後(圖b)，在Li 1s譜中出現了4個新峰，分別對應形成的55.4 eV的Li- Al合金峰和53.8 eV、55.8 eV和56.6 eV的Li- Si合金峰。值得注意的是，53.8 eV也是Li金屬的特徵峰。同時，合金化反應後Si- Al鍵峰消失，表明反應完成(圖4c和d)。結果表明，表面合金化反應後生成了Li- Al和Li- Si合金，改善了Li金屬與LLZTO的界面接觸。
圖4 表面合金化反應前後XPS圖像
為了進一步表明緩衝層的改性效果，本研究測試了Li/ASL/Li和Li/LLZTO/Li對稱電池的多項電化學性能。在CCD測試中可以發現改性後電池的CCD顯著提高至1.2mA/cm2，這表明改性後的電解質具有良好的界面穩定性和枝晶抑制能力；同時改性後的鋰對稱電池也表現出了優異的倍率與循環性能。
圖5 Li/ASL/Li和Li/LLZTO/Li對稱電池的電化學性能
最後為了探究ASL的實際應用價值，本研究分別組裝了Li/ASL/LiFePO4 和Li/LLZTO/LiFePO4電池，並進行了電化學性能測試。結果表明，改性後Li/ASL/LiFePO4電池的循環以及倍率性能均得到了極大的提升。
圖6 Li/ASL/LiFePO4 和Li/LLZTO/LiFePO4的電化學性能
3.總結
綜上所述，該研究採用磁控濺射方法構建了Al-Si緩衝層且當濺射厚度為10nm時LLZTO顆粒的界面電阻最小，同時由ASL構建的鋰對稱電池以及LFP電池均表現出優異的電化學性能，這表明我們的設計為鋰金屬與陶瓷電解質之間的兼容提供了一條可行道路。