BaTiO3纳米颗粒诱导界面电场优化：实现4.8V全固态锂电池的氯基固态电解质稳定性突破

为解决氯基固态电解质（CSEs）在超高电压（4.8 V）下的氧化分解问题，研究人员通过高效球磨法在Li2.5Y0.5Zr0.5Cl6（LYZC）表面构建铁电BaTiO3（BTO）纳米涂层。该设计通过电场调制抑制电解质分解，减少界面副产物（如ZrCl3O/YCl2O），并稳定单晶NCM811（SCNCM811）结构。最终，全固态电池在4.8 V下实现76%的容量保持率（150次循环），离子电导率保持1.06 mS cm?1，为高能量密度电池商业化提供新策略。

　　

研究背景与意义

随着电动汽车和航天器对高能量密度储能需求的激增，全固态锂电池（ASSBs）因其不可燃的固态电解质（SEs）和锂金属兼容性成为研究热点。然而，氯基固态电解质（CSEs）如Li_2.5Y_0.5Zr_0.5Cl₆（LYZC）虽具备高离子电导率（>1 mS cm^?1），但其氧化分解阈值（~4.2 V）限制了在4.8 V超高电压体系中的应用。此外，LYZC与高镍正极（如单晶NCM811）的界面反应会生成绝缘性副产物（如YOCl），加剧容量衰减。如何通过低成本、可规模化方法提升CSEs的高压稳定性，成为领域内亟待解决的难题。

关键技术方法

研究团队采用高能球磨法在LYZC表面均匀包覆50-100 nm厚BaTiO₃（BTO）纳米颗粒（5 wt.%），通过Kelvin探针力显微镜（KPFM）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析界面电场分布与化学演化，结合X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）评估界面稳定性，最终组装LiIn|LYZC@5BTO|SCNCM811全固态电池进行电化学测试。

研究结果

3.1 结构与形貌表征

球磨后的LYZC@5BTO保持LYZC的三角晶系结构（P-3m1空间群），BTO均匀包覆层厚度为50-100 nm（图2e-g）。XPS证实BTO的Ti-O/Ba-O键（530.2 eV）存在，且未影响LYZC基体的Y/Zr/Cl化学环境（图1c）。

3.2 锂离子传输性能

BTO涂层通过表面介导的Li⁺传导路径（图3b），使LYZC@5BTO离子电导率保持在1.06 mS cm^?1（仅比原始LYZC降低10%），活化能（0.327 eV）与未改性样品相近（图3d）。

3.3 电化学性能

在4.8 V高压下，LYZC@5BTO电池的初始放电容量达193.2 mAh g^?1（0.1 C），200次循环后容量保持95.4 mAh g^?1（1 C），远超原始LYZC的55.4 mAh g^?1（图4d）。微分容量曲线显示BTO有效抑制极化增长（电压间隔从0.23 V增至0.50 V，而LYZC从0.27 V增至0.81 V）。

3.4 电场调制机制

KPFM显示BTO涂层使表面电位从-91.4 mV降至-69.9 mV（图5a-b），反向电场抵消外部高压场，抑制LYZC自分解。CV测试中，LYZC@5BTO的氧化峰面积减少，分解起始电位从4.07 V提升至4.27 V（图5c）。

3.5 界面与结构演化

XPS和ToF-SIMS表明，BTO将循环后界面副产物（ZrCl₃O/YCl₂O）占比从26%降至14%（图6, 7a）。HRTEM显示BTO将SCNCM811表面岩盐相厚度从10 nm减至5 nm，抑制不可逆相变（图8b-c）。

结论与意义

该研究通过铁电BTO纳米颗粒的界面电场工程，首次实现氯基固态电解质在4.8 V超高电压下的稳定循环。BTO的极化反转效应不仅抑制电解质分解，还减少界面副产物和正极结构退化，为设计高能量密度全固态电池提供了可规模化、低成本的解决方案。论文发表于《Nano-Micro Letters》，为高压固态电解质的商业化开辟了新路径。