钇掺杂Li7 La3 Zr2 O12 固态电解质涂层的微观结构与界面调控及其在全固态锂离子电池中的应用研究

为解决全固态锂离子电池(ASSLIB)中固态电解质与电极界面反应导致的性能衰减问题，研究人员通过胶体涂覆工艺制备了钇掺杂Li7 La3 Zr2 O12 (Y-LLZO)涂层，发现1100℃烧结会引发La/Co互扩散形成LaCoO3 副产物，提出工艺温度需低于1100℃。该研究为优化固态电解质界面工程提供了关键数据支撑。

　　

研究背景
随着电动汽车和便携式电子设备对高能量密度储能器件的需求激增，传统液态锂离子电池因电解液泄漏、热失控等安全隐患面临发展瓶颈。全固态锂离子电池(ASSLIB)采用不可燃的固态电解质，理论上可同时提升安全性和能量密度，被誉为下一代储能技术的"圣杯"。然而，固态电解质与电极材料间的界面问题成为制约其商业化应用的关键瓶颈——高温烧结过程中元素互扩散会形成绝缘相，大幅增加界面阻抗。

在众多固态电解质材料中，立方相石榴石型Li₇
La₃
Zr₂
O₁₂
(LLZO)因其对锂金属稳定和高离子电导率(10^-4
-10^-3
S/cm)备受关注。但LLZO与典型正极材料LiCoO₂
(LCO)在高温处理时会发生界面反应，形成La₂
CoO₄
、LaCoO₃
等副产物。如何通过元素掺杂和工艺优化抑制界面反应，成为当前研究的热点难题。

研究方法
国家科学和技术委员会资助的研究团队采用固相反应法合成钇掺杂LLZO(Y-LLZO)粉体，通过球磨-煅烧(900℃/12h)获得立方相粉体。利用旋涂法在LCO基底上制备Y-LLZO涂层，系统研究不同烧结温度(1100℃/12h)下涂层的微观结构演变。采用XRD分析晶体结构，SEM/EDS观察元素分布，FIB-HRTEM表征界面扩散行为。

研究结果
1. 材料表征
煅烧后的Y-LLZO粉体呈现纯立方相石榴石结构，钇掺杂有效稳定了高离子电导率相。旋涂制备的涂层经1100℃烧结后形成数微米厚的致密层，满足ASSLIB对薄层电解质的需求。

2. 界面反应机制
EDS元素面扫描揭示界面存在三类特征区域：(1)富(Co,O)区来自原始LCO颗粒；(2)富(La,Y,Zr,O)区对应Y-LLZO晶粒；(3)新生的富(Co,La,O)区经HRTEM确认为钙钛矿型LaCoO₃
，系La/Co元素互扩散产物。这种扩散深度达微米级，会显著增加界面阻抗。

3. 工艺优化窗口
对比实验表明，当烧结温度≥1100℃时，LaCoO₃
副相大量形成；而低于此温度时界面反应可控。建议LLZO基电解质加工温度应严格控制在1100℃以下。

结论与意义
该研究首次通过胶体涂覆工艺实现Y-LLZO在LCO电极上的均匀包覆，明确了高温烧结过程中La/Co互扩散的热力学驱动力与动力学路径。发现1100℃是界面反应发生的临界温度，为ASSLIB制造工艺提供了重要参数依据。研究成果发表于《Surface and Coatings Technology》，不仅为固态电池界面工程提供理论指导，也为开发低温烧结工艺指明了方向。未来可通过掺杂改性进一步降低烧结温度，推动ASSLIB的产业化进程。