研究人員發現，儘管全固態鋰金屬電池有望實現較高的能量密度、以及快速充電能力，但是高壓氧化物正極與固體電解質（SSE，solid state electrolyte）之間的介面不穩定性，以及鋰金屬負極與固體電解質介面處的鋰枝晶生長，制約了這一目標的實現。
在近期一項工作中，美國馬里蘭大學王春生團隊從這兩個關鍵的制約因素出發，通過合理的介面設計方案，打造了具備較高能量密度的全固態鋰金屬電池，並成功實現了快速充電的能力。
電池的高能量密度和快充能力，是當前電子產品和電動汽車等的設備普遍需求，因此該成果有可能用於手機、電動汽車、電腦等領域。
該課題組前期的研究[1]發現臨界相間過電位是衡量固體電解質介面（SEI，solid–electrolyte interphase）抑制鋰枝晶生長能力的關鍵因素。
為了實現介面較高的鋰枝晶抑制能力，就得讓鋰枝晶生長的驅動力，低於固體電解質介面本徵的鋰枝晶抑制能力。
因此，要實現高容量以及大倍率下的充放電，對於 Li/ 固體電解質介面來說，必須為其設計一個介面，以便可以同時提高鋰枝晶抑制能力，以及降低鋰枝晶生長的驅動力。
在高容量以及大倍率下，電池充放電的穩定性也與正極有關。對於液態鋰離子電池來說，已經有大量研究證明元素 F 能在很大程度上保持 NMC811 正極的穩定性。
後來，他們選擇四氟硼酸鋰作為 NMC811 表面的包覆層。通過將一部分 F 從 NMC811 表面電化學遷移到 NMC811 體相，讓 NMC811/Li6PS5Cl 介面、以及 NMC811 體相實現了較好的穩定性。
而要想通過介面層來降低鋰枝晶生長的驅動力，就得實現 Li/ 固體電解質之間各個介面的緊密接觸。以人工方式加入介面層時，會存在接觸不均勻的問題。而在電化學反應過程中，原位生成的介面則能實現各個介面之間的緊密接觸。
通過篩選各種金屬材料，他們發現鎂能同時與 Li6PS5Cl 和鋰反應，而生成的 LiMgSx 以及 LiMg，可以起到粘結劑的作用，從而實現 Li6PS5Cl/ 鋰化鉍以及鋰/鋰化鉍介面之間的緊密接觸。
另外，通過提高金屬鋰與介面層的接觸，可以進一步降低介面阻抗，從而進一步降低鋰枝晶生長的驅動力。要想實現這一目標，通過設計多孔介面層即可實現。
而在多孔介面層中，要想進一步降低鋰沉積的過電位，並使鋰沉積在鋰和多孔介面層之間，就要求多孔介面層具有較高的離子/電子電導率比。通過篩選各個材料，他們發現鋰化鉍的確能夠滿足這些條件。
同時，他們發現鎂在鋰沉積過程中會向鋰負極側遷移，這樣一來就能原位得到鋰化鉍多孔介面層。於是，課題組使用 Mg16Bi84 作為鋰/固體電解質之間的介面層。
雖然實驗結果顯示鎂可以原位遷移，同時 Mg16Bi84 介面層具有較高的抑制鋰枝晶的能力。但是，他們仍然不清楚鎂遷移的內在原因。
後來，課題組通過大量表征、實驗和計算，確定了相關機理。即鎂的遷移主要依賴於以下幾個原因：
其一，鎂能和 Li+ 能形成（LiMgx）+；
其二，鎂能和鋰形成固溶體；
其三，在鋰化鉍之中，（LiMgx）+ 的遷移能壘較低，而 Mg16Bi84 介面層具有較高的抑制鋰枝晶的能力。
憑藉這幾方面優勢，讓 Mg16Bi84 介面層能夠有效地防止鋰枝晶的生長，並能在大容量和大倍率之下，實現鋰金屬高度可逆的沉積和脫出。
總的來說，本次工作通過採用價格低廉的 Mg16Bi84 介面層，既讓全固態鋰金屬電池擁有了較高的能量密度，也讓其實現了快充能力。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
日前，相關論文以《全固態鋰電池介面設計》（Interface design for all-solid-state lithium batteries）為題發在 Nature[2]，馬里蘭大學萬紅利博士是第一作者，王春生教授擔任通訊作者。
圖 | 萬紅利（來源：萬紅利）
基於這款電池的設計原理，他們正在研究新的介面層，以便進一步地降低成本。另據悉，萬紅利目前在該課題組從事博士後研究，未來即將回國進行後續科研工作。
參考資料：
1.Nature Energy, 2023, 8，473-481
2.Wan, H., Wang, Z., Zhang, W.et al. Interface design for all-solid-state lithium batteries. Nature 623, 739–744 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06653-w
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