
工作溫度高于200 °C的高溫電化學電源在航空航天、國防及極端環境應用中發揮著關鍵作用,傳統電池在此類工況下因熱失控、電解質分解或安全隱患而無法正常工作。在這些場景中,電池需在極高溫度下可靠運行,并在短時間內輸出大電流密度。熱電池因其高功率能力長期以來主導該領域。然而,在實際高壓工作條件下,熱電池的可靠性不可避免地受到熔鹽泄漏及電極/電解質界面不穩定的限制,從而推動了對更安全替代方案的探索。

無機固態電解質因其固有的熱穩定性、不可燃性和力學魯棒性,已成為高溫電池領域極具前景的候選材料。其中,以LLZO為代表的氧化物基鋰離子導體因其高離子電導率、優異的熱、化學和電化學穩定性,以及良好的力學強度和高壓正極兼容性而受到廣泛關注。然而,基于傳統氧化物鋰電解質的固態電池在室溫下相對較高的離子電導率可能導致非預期的離子輸運,從而在儲存期間誘發自放電。
在已研究的鋰離子導體中,Li?AlO?(LAO)是表現出顯著溫度依賴性離子輸運行為的代表性材料之一。其在室溫下離子電導率可忽略不計,而超過特征活化溫度后離子電導率急劇上升。這種離子輸運特性使LAO成為高溫電池電解質的合適選擇:其室溫下極低的離子電導率可最大限度減少非預期鋰離子輸運,改善熱激活前的儲存穩定性;同時,高溫下LAO的高離子電導率確保電池具有良好的電化學性能。
此外,與液態或熔融電解質不同,固態電解質與電極材料之間呈現靜態、不可重構且接觸不充分的界面,導致電解質/電極界面存在較高界面電阻。在實際運行中,尤其在大電流密度下,電池界面無法適應剛性固-固界面上離子的重新分布,造成離子通量不均勻、界面極化和界面電阻增加,嚴重制約了電池的實際功率輸出和效率。已有研究提出表面改性、組分梯度設計及軟中間層工程等策略以降低界面電阻,但這些策略在高溫電池中的應用仍鮮有探索。
在本工作中,我們合成了LAO并以其為模型高溫固態電解質進行電池組裝和電化學評估。同時,我們提出了一種相變介導的界面工程策略,以克服高溫運行條件下固-固界面固有的離子傳輸限制。通過引入LiCl-KCl中間層——該中間層在組裝過程中保持固態,而在工作溫度下原位液化——將原本剛性的固-固界面重構為液態、動態可重組的離子傳輸界面。這種界面演化能夠更好地適應局域離子通量變化,從而緩解極化并降低界面電阻。該策略使LAO基電池在高溫大電流條件下穩定運行并保持高比容量。上述結果表明,相變介導的界面工程與合理的固態電池結構設計相結合,為緩解界面傳輸限制、實現高溫高壓條件下穩定運行提供了有效途徑。
