采用固體氧化物電解質的鋰金屬電池因其克服傳統鋰離子電池（LIBs）安全性和能量密度限制的潛力而備受關注。其中，在正極使用離子液體、負極使用固體氧化物電解質的準全固態鋰金屬電池，因能結合高負載正極和薄鋰金屬負極實現高能量密度而極具前景。然而，鋰金屬與固體電解質界面不穩定的鋰沉積/剝離會導致鋰枝晶生長，進而引發短路和長循環穩定性差的問題，阻礙了其商業化進程。

雖然碳基中間層已被證明能有效維持界面接觸，但氧化物固體電解質需要額外的粘結材料來確保與碳層的結合。此前的研究使用了Ag層，但Ag在循環中容易與Li形成合金并遷移，導致界面失效。為此，研究團隊提出了一種由多孔碲（Te）和碳基層組成的負極多層結構，顯著抑制了鋰枝晶的形成，并大幅降低了長循環過程中的容量衰減。

材料設計與機理驗證

Millennial Lithium

研究團隊首先利用密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD）模擬篩選合適的界面粘結材料。模擬顯示，Ag會與Li發生完全混合（合金化），導致Ag層逐漸消失。相比之下，Te與Li的合金化反應在形成Li?Te后趨于飽和，且Li在Te中的擴散較慢，表明Te作為粘結層在循環中能保持相對靜止。

金屬與Li合金化行為的評估。(a) 10-ns MLIP-MD模擬期間的Li-Ag合金化和 (b) Li-Te合金化行為

雖然Te能增強LLZTO（Li?.?La?Zr?.?Ta?.?O??）與碳基中間層的粘附力，但Li在體相Te中的擴散系數極低（10?1?–10?1?cm2/s），可能限制倍率性能。計算表明Li在Li-Te合金表面的擴散能壘很低（70 meV）。因此，研究人員通過濺射GeTe薄膜并選擇性酸刻蝕掉Ge，在LLZTO表面制備了40 nm厚的多孔Te層，以增加表面積并促進Li的傳輸。

多孔Te層的制備與表征

Millennial Lithium

利用原位X射線光電子能譜（XPS）及電子束/離子束輻照技術，研究了多孔Te層的化學和形貌變化。結果顯示，多孔Te層的Li/Te原子比在電子束輻照下（模擬充電）的增加速度顯著快于致密Te層，證明多孔結構有效加速了Li的傳輸。電化學阻抗譜（EIS）測試表明，含多孔Te層的Li對稱電池具有更低的界面電阻（4.98 Ω cm2），且在高達3.0 mA/cm2的電流密度下未發生短路，表現出優異的抑制鋰枝晶能力。

多孔Te層的制備與表征。(a) 酸處理前后GeTe層的表面SEM圖像。截面圖像顯示約40 nm厚的涂層。(b) 測量過程示意圖。(c) 電子束和離子束輻照期間多孔Te層核心能級光譜的變化

全電池性能評估

Millennial Lithium

研究人員組裝了采用NCA811正極（浸以此雙氟磺酰亞胺鋰LiFSI和離子液體EMIFSI配制的電解液）、LLZTO固體電解質和Te/Ag-C負極中間層的軟包電池。該電池表現出極低的界面電阻（約12 Ω cm2）。

在25°C、2.2 mA/cm2的高電流密度下，該電池穩定運行超過4000次循環，容量保持率高達80.1%，平均庫倫效率為99.7%。循環后的截面SEM/EDS分析證實，即使在4000次循環后，Te層仍穩定存在于固體電解質/Ag-C界面處，未發生明顯的空洞或分層。這得益于Te在循環過程中的不可移動性及其對界面的穩定作用。與之相比，使用Ag作為粘結層的電池循環穩定性較差。

準全固態鋰金屬電池的制備與電化學性能。(a) 組裝的Li|Ag-C/Te|LLZTO|NCA811-EMIFSI (2M LiFSI) 電池示意圖。(c) 制備電池的恒流電壓曲線。(d) 準全固態鋰金屬電池的循環性能

值得注意的是，循環后正極側觀察到了NCA811顆粒的微裂紋，這是高鎳正極常見的降解行為，但離子液體的高氧化電位使得電池仍能維持較長的壽命，優于傳統的碳酸酯類電解液體系。

大尺寸電池與安全性

Millennial Lithium

為了驗證商業化潛力，團隊利用流延成型工藝制備了36 cm2的大面積LLZTO電解質，并組裝了容量達100 mAh級的LCO單體軟包電池。該大尺寸電池在45°C、0.5 C倍率（85 mA/g）下穩定循環超過400次，未發生短路。此外，基于離子液體的阻燃特性，電池通過了直接火焰暴露測試和針刺測試，未發生起火或爆炸，顯示出卓越的安全性。

Li|C/Te|LLZTO|LCO-EMIFSI (2M LiFSI) 單體電池的電化學性能。(a) 用于制造100 mAh Li|C/Te|LLZTO|LCO單體電池的LLZTO流延膜和LCO正極。(d) 準全固態鋰金屬電池的循環性能

這項研究提出了一種利用多孔Te作為粘結層結合碳基中間層的策略，有效解決了石榴石型固體電解質與鋰金屬負極之間的界面穩定性問題。多孔Te層不僅提供了強附著力，還通過其多孔結構促進了Li的均勻傳輸。這種設計實現了在高電流密度下的超長循環壽命（>4000次），并成功在安時級大面積電池上進行了驗證。該成果為開發高能量密度且長壽命的固態電池提供了一條切實可行的技術路徑。