磁控溅射沉积钛膜改性Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12固态电解质界面及其锂枝晶抑制研究

为解决LLZTO（Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12）固态电解质与锂负极界面因Li2CO3钝化层导致的界面阻抗升高和锂枝晶穿透问题，研究人员通过磁控溅射技术在LLZTO表面沉积钛膜，优化工艺参数（1.0 Pa、100 V、150 ℃）使界面阻抗从1437.9 Ω降至190.19 Ω，锂对称电池在0.1 mA·cm-2下稳定循环1200小时。该研究为高安全性固态电池开发提供了新思路。

　　

研究背景与意义
锂离子电池（LIBs）作为现代电子设备和电动汽车的核心能源，其能量密度和安全性一直是研究焦点。其中，固态电解质（Solid-State Electrolyte, SSE）因其不可燃特性被视为下一代高安全性电池的关键材料。石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）因其高离子电导率（>10^-4 S·cm^-1）和宽电化学窗口成为热门候选。然而，LLZTO表面易与空气中H₂O/CO₂反应生成绝缘性Li₂CO₃层，导致与锂负极的界面接触恶化，引发锂枝晶生长和电池短路。传统解决方法如SiO₂置换反应或涂层技术可能引入新界面障碍，而钛元素掺杂被证明可兼顾晶体结构稳定性和界面润湿性提升。

研究方法与技术
广东高校联合东莞电池企业采用冷压烧结法制备LLZTO电解质片，通过磁控溅射沉积钛膜，系统考察腔室压力（0.5-2.0 Pa）、偏压（50-150 V）和温度（100-200 ℃）对薄膜质量的影响。利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）表征形貌与元素分布，电化学工作站（上海辰华760E）测试界面阻抗，LAND电池测试系统评估循环性能。

研究结果

1. 材料制备与表征
   冷压烧结结合磁控溅射成功制备钛膜包覆LLZTO（图1a-c），SEM显示钛膜均匀覆盖且无裂纹（图2a-b），EDS证实钛元素梯度分布（图2c）。XRD证实钛沉积未破坏LLZTO立方相结构（图3）。

2. 电化学性能优化
   最优参数（1.0 Pa、100 V、150 ℃）下，钛膜使界面电阻降低86.8%（1437.9 Ω→190.19 Ω）。锂对称电池在0.1 mA·cm^-2下实现1200小时无枝晶循环（图4），优于未改性样品（<300小时）。

3. 机理分析
   钛膜通过增强LLZTO/Li界面润湿性减少空隙，同时其高电子导率促进锂离子均匀沉积（图5）。钛掺杂还抑制了Li₂CO₃的界面累积（图6）。

结论与意义
该研究通过磁控溅射钛膜改性LLZTO界面，在保持高离子电导率前提下显著提升界面稳定性和锂沉积均匀性。其工艺参数优化策略为固态电池界面工程提供了普适性参考，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。未来可进一步探索钛膜厚度与多元素共掺杂的协同效应。