高机械强度、不可燃的陶瓷电解质在固态电池中的应用有望彻底解决传统液态电池的安全问题。近年来，在研究人员的努力下，陶瓷电解质的离子电导率得到显著提升，可达10^-3-10^-2 S cm^-1，基本满足实际应用中快速离子传输的要求。然而，陶瓷电解质与电极间固固接触造成的界面开裂，以及部分陶瓷电解质对锂金属的不稳定性导致的界面劣化，都严重增加了固态电池的界面阻抗，限制了其长期稳定循环。因此，如何构筑牢固且稳定的陶瓷电解质/电极界面是目前开发陶瓷基固态电池的主要挑战。 

　　基于上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所的张涛研究员团队，通过对强极性基团在石榴石型电解质表面的配位化学研究，揭示了腈基与Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）晶格La原子之间的强配位机制。在此基础上，设计了一种表面配位界面层，构建了牢固的电解质/电极界面。同时，利用腈基间的配位竞争，稳定了界面层的高离子电导率，从而实现了固态锂金属电池在室温下稳定循环250次，容量保持99%。该成果以“A Surface Coordination Interphase Stabilizes A Solid-State Battery”为题发表在Angewandte Chemie International Edition, 2021, 60, 24162–24170，并被选为封面文章以及“Hot Topic: Batteries”。论文第一作者为中国科学院上海硅酸盐研究所在读博士生杨亚南，导师为张涛研究员。 

图1 表面腈基配位稳定电解质/电极界面示意图

　　该研究以包含大量强极性腈基的丁二腈（SCN）为例，首先考察了腈基与LLZO的配位机制，发现腈基N原子与LLZO中La存在强的配位作用。但在配位结构中，由于“π反馈”效应，大量的金属电子向腈基转移，使腈基的电子密度增加，进而引发亲核攻击，最终导致SCN在LLZO表面大量聚合。而SCN的聚合会持续降低SCN基电解质的离子电导率，将其作为界面层会限制锂离子在界面处的传输。

图2 配位作用引发的SCN聚合 

　　为了解决SCN聚合的问题，作者又将包含大量腈基基团的聚丙烯腈（PAN）引入界面层，利用腈基间的配位竞争作用，成功消除了SCN在LLZO表面的聚合。DFT 理论计算和XAFS实验分析都表明 PAN的腈基与LLZO之间具有更强的配位作用，其倾向于优先与LLZO中La配位。相比于SCN，PAN在LLZO表面优先配位，形成一层保护层，消除了SCN与LLZO间的配位聚合反应，稳定了界面层中构筑锂离子传输通道的SCN主体，进而稳定了界面层的高离子电导率（＞10^-4 S cm^-1）。得益于陶瓷电解质/电极间快速的离子传输和牢固的化学键连接，PAN稳定的SCN基界面层使得固态锂金属电池表现出较低的极化电压和长期的稳定循环。

图3 固态锂金属电池循环性能

　　该工作为解决固态电池中界面开裂的问题提供了一种新策略。此外，利用高价金属原子的表面配位作用构筑电极/电解质界面也有望解决部分陶瓷电解质（如Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃、Li_3xLa_2/3-xTiO₃等）对锂金属的不稳定性问题。

图4 文章封面图 

　　相关研究工作得到了上海市科委和国家自然科学基金等项目的资助，以及上海同步辐射光源的支持。 

　　文章链接： 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108050