芝加哥大学孟颖课题组Nature Nanotechnology：移除基底限制, “解放”LiPON研究

第一作者：程迪一

通讯作者：孟颖，张明浩

单位：芝加哥大学，加州大学圣地亚哥分校

锂磷氧氮（LiPON）薄膜固态电解质于1992年诞生在美国橡树岭国家实验室。由于其对众多电极材料的优异匹配性，LiPON材料在过去的三十年间被不间断地研究过，然而LiPON的大量本征性质至今仍然不为人所知。其根本原因包括LiPON对空气和电子辐照敏感，以及在LiPON薄膜合成过程中使用的硬质基底，都极大程度上地限制了可用来研究LiPON本征性质的表征手段。

有鉴于此，近日来自 芝加哥大学的孟颖教授和加州大学圣地亚哥分校的张明浩研究员 在国际顶级期刊 Nature Nanotechnology 上发表了题为” A free-standing lithium phosphorus oxynitride thin film electrolyte promotes uniformly dense lithium metal deposition with no external pressure ”的研究文章。该文章提出了移除基底从而得到自支撑式LiPON（FS-LiPON）薄膜的合成路线。由于基底的移除，多种新的表征手段得以在LiPON材料上使用：固态核磁共振谱为锂金属和LiPON界面的化学成分提供了定量的实验证据；示差扫描量热法揭示了LiPON的玻璃化转变温度在207摄氏度；纳米压痕测试显示LiPON的杨氏模量在33 GPa左右。与此同时，通过结合界面应力和金籽晶层，FS-LiPON还在零外压下达到了均匀而致密的锂金属沉积，为全固态电池的界面工程提供了新的思路。

FS-LiPON的合成路线在原有的磁控溅射方法前后增加了旋涂光刻胶和有机溶剂溶解的步骤，从而达到了移除硬质基底的目的。新得到的透明FS-LiPON薄膜不仅显示出极高的柔韧性，而且通过一系列的基本表征确保了其化学和物理性质与原本溅射在硬质基底上的LiPON薄膜保持一致。

要点二：自支撑薄膜促进LiPON材料的本征性质研究

得益于基底的移除，LiPON材料可以使用更多表征手段进行研究。固态核磁共振图谱显示在锂金属和LiPON的界面形成过程中新增了13%的PO ₄ ^3- 结构单元，同时伴随着桥键氧结构单元和桥键氮结构单元的减少，为Li/LiPON界面形成氧化锂，氮化锂和磷酸锂提供了定量的证据；热学测试得到了LiPON的玻璃化转变温度在207摄氏度，同时捕捉到了LiPON结晶化的信号，为LiPON相关材料的热处理方法提供了指导；纳米压痕测试揭示了LiPON的杨氏模量在33 GPa左右，显示出FS-LiPO在进行LiPON力学性质研究中得天独厚的优势。

FS-LiPON除了在基础研究中的巨大潜力之外，也在电化学应用中带来了新的见解。得益于FS-LiPON的柔韧性，Li/Cu电池可以在弯曲之后仍表现出电化学活性，并在零外压下达到了致密的锂金属沉积。不过由于Li在Cu和FS-LiPON界面的非均匀形核，沉积出来的锂金属虽然致密，却表现出不均匀性，进而导致Cu集流体表面鼓包。如何提高锂金属沉积的均匀性成为了下一步的重点。

为了理解FS-LiPON Li/Cu电池如何在无外压的情况下能够达到致密的锂金属沉积，一个基于圆周应力的模型被用来分析Cu/FS-LiPON界面在锂金属沉积过程中的应力变化。结果显示在无外压的条件下界面应力可以达到0.1 GPa的数量级，足以促进锂金属蠕变从而形成致密的沉积层。研究团队在此基础上提出了达到均匀致密锂金属沉积的要求，其中增加籽晶层促进均匀形核尤为重要，最终促成了在零外压下均匀同时而又致密的锂金属沉积，为全固态锂金属电池界面工程提供了新的思路。

D. Cheng, M. Zhang, Y.S. Meng et al.“A free-standing lithium phosphorus oxynitride thin film electrolyte promotes uniformly dense lithium metal deposition with no external pressure”, Nat. Nanotechnol. 2023,

通讯作者-孟颖教授： 美国芝加哥大学分子工程学院教授，美国能源部阿贡国家实验室能源存储科学合作中心（ACCESS）首席科学家，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系及能源技术Zable荣誉教授，可持续电力和能源中心(SPEC)的创始主任，以及材料设计与探索研究所(IMDD)的创始主任，美国电化学学会成员，美国材料学会会员，能量储存及转化实验室(LESC)的首席研究员。迄今已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Materials, Joule, Energy & Environmental Science, Journal of American Chemical Society等国际著名学术期刊上发表500余篇同行评议论文，两部专著章节和六项专利，获得过多项著名奖项，如英国皇家学会迈克尔·法拉第勋章，国际电池协会(IBA)电池研究奖, 美国化学会ACS应用材料和界面青年研究者奖，能量储存及创新国际联盟(ICESI)就职青年职业奖，国际材联-新加坡青年科学家奖，电化学学会C.W.Tobias青年研究者奖，巴斯夫大众电化学科学奖和美国国家科学基金会(NSF)职业奖等。

通讯作者-张明浩研究员： 加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系研究员。2017 年于UCSD获得材料科学与工程博士学位。此前于南开大学获得物理学学士（2009），于中国科学院宁波材料技术与工程研究所获得硕士（2012）。自 2018 年起于UCSD从事博士后研究，2020 年成为项目研究员。于2019 年获得美国电化学学会 (ECS) 电池部博士后研究奖。他的研究兴趣包括通过先进的多维表征技术对储能系统进行诊断，尤其擅长基于第一性原理计算的功能材料设计以及下一代高能量密度锂离子和后锂离子电池材料的合成/改性方法开发。至今已在Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology, Nature Communications、Joule、 Energy & Environmental Science、 Materials Today等国际知名学术期刊上发表学术论文80余篇，引用6900余次。并著有1 本专著章节和 6 项专利。

第一作者-程迪一： 2017年本科毕业于吉林大学材料物理专业，并于2023年在美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)能量储存及转化实验室(LESC)获得材料科学与工程博士学位。主要研究方向为全固态锂金属电池，正负极/固态电解质界面表征，薄膜电池，金属锂负极，原位/冷冻电镜技术等，擅长结合冷冻聚焦离子束，冷冻电镜及原位电镜表征材料及界面的性质。至今已在Nature Nanotechnology, Joule, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, Matter等国际知名学术期刊发表多篇学术论文。目前正在美国劳伦斯伯克利国际实验室进行博士后研究。

LESC (Laboratory for Energy Storage and Conversion) 是由孟颖教授创建并领导的前沿科学问题研究团队。课题组通过结合各项先进表征技术及理论计算来设计和发展可用于能量存储与转化过程的新型功能性材料，从而推动可持续能源的利用。目前的主要研究方向包括：全固态锂/钠离子电池，锂金属负极，液化气电解液，无钴高压正极材料，薄膜电池，硅负极材料，钠离子电池，柔性锌-银电池等领域，及先进原位表征技术的发展。

课题组主页: https://lescmeng.ai