能源為當今世界面臨之嚴峻挑戰，而目前重要之儲能裝置之一為電池。特別為鋰離子電池具成本低與便攜之優點，但仍迫切需要更高之能量、功率密度及較良好之安全特性，以使鋰離子電池於未來之交通系統與大規模電網電力儲存中更加實用。提高鋰離子電池能量密度之方法為採用鋰金屬陽極，由於其具高比電容 (3861 mAh g-1)與低陽極電位(相對於SHE約為-3.04 V)。但鋰金屬陽極仍面臨一些重大問題，例如鋰枝晶生長、庫侖效率低、循環壽命差及使用有機液體電解質時之安全疑慮。為解決此些限制，研究人員積極探索不可燃之無機固態電解質作為替代品。石榴石型固態電解質Li7La3Zr2O12 (LLZO)具優異之室溫離子電導率(1 mS cm-1)、寬電化學穩定性窗口(∼ 0 – 5 V vs Li+/Li)。然石榴石型固態電解質於鋰金屬之界面阻抗問題仍需被解決。
近日，本院化學系、前瞻綠色材料高值化研究中心與重點科技研究學院的劉如熹特聘教授及其研究團隊成員於國際頂尖期刊EnergyChem上發表題為「Interfacial Engineering for High-performance Garnet-based Lithium Metal Batteries: A Perspective on Lithiophilicity and Lithiophobicity」之文章。此篇綜述文章深入探討合適的界面工程於固態鋰金屬電池至關重要，尤以石榴石型固體電解質，因其脆性性質無法承受較高之壓力。在此篇綜述中，我們將重點放於界面工程解決方案之最新發展，並根據使用各類材料之界面修改方法/製造路線進行廣泛之分類。針對某些重要之電化學性能參數進行詳細比較，從而對合適之中間層類型與可能之機械途徑進行闡述。此外，亦討論界面處之鋰親和力於親鋰性方面之作用及疏鋰相之存在重要性。此篇綜述文章全面分析石榴石型之鋰金屬固態電池中陽極-固態電解質界面。旨於為親鋰性與疏鋰性提供清晰之剖析，以實現高性能電池。 本研究成果已於2024年3月15日發表於EnergyChem: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258977802400006X(Impact factor: 25.1)
圖一、改良之鋰金屬陽極與石榴石型固態電解質界面之各種技術示意圖。
圖二、鋰金屬陽極與石榴石型固態電解質合適之界面工程關鍵操作參數。