全固態鋰金屬電池被認為是未來最具前景的儲能技術之一，其具有高能量密度、長循環壽命和高安全特性等優勢。其中，石榴石基 Li7La3Zr2O12（LLZO）氧化物電解質因其對鋰金屬的化學和電化學穩定，以及在室溫下近 1 mS/cm 的高離子電導率而備受關注。然而，如何改善固態電解質與鋰金屬負極的界面接觸成為一個挑戰，主要是因為鋰金屬表面的局部鋰離子通量累積、鋰沉積/剝離不均勻和空隙等問題易導致較大的界面阻抗和鋰枝晶生長。至今為止，研究人員提出了諸多策略來解決LLZO/Li界面相關的問題。這些策略包括表面拋光和酸蝕去除Li2CO3、引入聚合物相以提高潤濕性、構建親鋰界面以增強LLZO/Li接觸、以及施加高外部壓力等。然而，表面拋光需要較長的時間且不能完全去除Li2CO3，酸蝕可能引入新的雜質并破壞LLZO結構，親鋰界面層可能會與鋰發生反應或形成合金，并在連續合金化和脫合金過程中導致界面層的剝離失效。因此，仍需要進一步研究和發展更有效的方法來克服這些界面問題，以提高全固態鋰金屬電池的長期性能和穩定性。

基于上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團隊提出了一種雙重轉換反應策略，通過具有多重異質結構的離子電子混合導體層（MIEC）來誘導調節Li+和電子的擴散和傳輸，并抑制鋰枝晶的形成和生長。首先，該團隊使用CuF2和LiF作為固態氟源，并加入過渡金屬Mo，通過固態轉化反應合成富含鋰的氟化物Li2MoF6-Cu，然后將其涂覆在LLZO表面。在熔融金屬鋰和電化學鋰化過程中，Li2MoF6會發生另一個轉化反應，形成LiF和Mo異質結構。而生成的LiF受到Cu和Mo基體的雙重擠壓，其晶粒生長或遷移受到限制，這有利于LiF離子導電率的增加。此外，由于Mo和Cu不與鋰混溶，彌散的Mo和Cu可以使電子分布均勻，且Cu域的高延展性則可緩解應力變化，保持LLZO/Li界面的完整性和緊湊性。同時，由于功函數差異的誘導，LiF和Cu/Mo之間的異質界面會形成內置電場，在其作用下進一步促了離子和電子在界面快速擴散和遷移。這種策略可以實現LLZO/Li界面的緊密接觸、高電荷轉移動力學和低界面阻抗，同時調節Li+通量并限制鋰枝晶的形成和生長。組裝的鋰對稱電池在 0.2 mA/cm2電流密度下可穩定循環 10000 小時以上而不會發生短路，過電位低至約 10 mV，累積容量接近 2.5 Ah/cm2。

此外，該工作還提出了一種“熱熔-滲透-鍵合”的工藝，用聚氧化乙烯（PEO）作為粘合劑來代替傳統的聚偏二氟乙烯（PVDF）應用于正極端，以解決LLZO/正極界面的高接觸阻抗問題，同時避免界面潤濕劑的引入，從而實現真正的全固態鋰電池。該工藝有利于構建具有連續鋰離子傳輸通道并與LLZO電解質緊密接觸的高負載正極，熔融PEO可以滲透到界面的空隙中，與LLZO顆粒結合，促進鋰離子從正極到固態電解質的全域傳輸。使用這種策略，基于三元氧鎳鈷錳氧化物（NCM811）正極的全固態石榴石電池可成功運行，同時可實現正極的高負載量和穩定的可逆容量；對于磷酸鐵鋰（LFP）正極，這種粘合劑策略也顯示了其在全固態電池構架中的循環穩定性。更為重要的是，搭載更具挑戰的轉換反應型FeF3正極時，其負載高達 6 mg/cm2，達到目前國際上的最高水平；在0.3 C倍率下循環300 次后，放電比容量仍達到 300 mAh/g；即使在712 mA/g 的超高電流密度下，可逆容量仍超過 250 mAh/g。

相關成果以“Heterostructure conductive interface and melt-penetration-bonding process to enable all-solid-state Li-FeF3 garnet batteries with high cathode loading”為題發表于Energy & Environmental Science(2025), DOI: 10.1039/d4ee02947j。論文第一作者是上海硅酸鹽所在讀博士生吳海龍和胡九林副研究員，通訊作者是李馳麟研究員，相關研究得到了國家自然科學基金委和上海市科委等項目的資助和支持。

圖 1 高載量Li-FeF3全固態鋰電池的工作亮點摘要

圖 2 功能氟化涂層材料的制備與表征

圖 3 功能涂層物相分析及功函數誘導內建電場調節離子/電子的擴散和傳輸

圖 4 正極界面調控及Li- FeF3全固態電池的電化學性能評估

圖5 Li-FeF3全固態電池充放電過程中的轉換反應動力學評估