全固態(tài)鋰金屬電池因其潛在的高能量密度和本征安全性，被視為下一代儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，鋰金屬負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)之間固-固界面的物理接觸失效，是制約其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在循環(huán)過(guò)程中，界面空洞的形成與演化會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻激增和鋰枝晶生長(zhǎng)，最終引起性能迅速衰減。

傳統(tǒng)解決方案依賴施加較高的外部堆疊壓力以維持界面接觸，但這不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，也為電池的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在《自然·可持續(xù)發(fā)展》上發(fā)表的研究論文，提出了一種名為動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)促使固態(tài)電解質(zhì)中的特定陰離子發(fā)生可控遷移，在電極/電解質(zhì)界面原位形成一層能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)體積變化的界面層，從而在低外部壓力下實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)鋰金屬電池的超長(zhǎng)循環(huán)壽命。

固態(tài)電池的核心挑戰(zhàn)

Millennial Lithium

在電池的循環(huán)過(guò)程中，特別是在鋰金屬的剝離階段，界面處會(huì)產(chǎn)生鋰空位。由于固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬均為剛性材料，其自身難以通過(guò)蠕變完全填補(bǔ)這些空位，導(dǎo)致微觀空洞的形成。此外，電極和電解質(zhì)材料在制備過(guò)程中存在的表面缺陷，也會(huì)形成初始接觸不良區(qū)域。

這些空洞會(huì)造成兩方面主要影響：

有效接觸面積減小，導(dǎo)致局部電流密度過(guò)高，加劇鋰的不均勻沉積與溶解，可能誘發(fā)鋰枝晶。

離子傳輸路徑受阻，使得電池整體阻抗增大，極化加劇，容量快速衰減。

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面

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為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)摒棄了單純依靠外部壓力維持接觸的思路，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了一種能夠主動(dòng)適應(yīng)界面變化的智能結(jié)構(gòu)。

其核心在于利用具有可控陰離子遷移能力的固態(tài)電解質(zhì)。研究人員通過(guò)理論計(jì)算，從大量含鋰無(wú)機(jī)材料中篩選出鋰離子與陰離子遷移能壘相近的候選化合物。最終，他們選定了碘離子摻雜的硫化物電解質(zhì)Li?.?PS?I?.?作為模型體系。

固態(tài)電解質(zhì)中陰離子遷移能力的計(jì)算與驗(yàn)證

在該電解質(zhì)中，碘離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下可發(fā)生定向遷移。在電池循環(huán)時(shí)，鋰金屬負(fù)極處發(fā)生氧化反應(yīng)生成鋰離子，誘導(dǎo)電解質(zhì)中的碘離子向界面區(qū)域遷移。兩者結(jié)合，在界面處原位生成一層以碘化鋰為主要成分的界面層。

界面層的形成機(jī)制與功能驗(yàn)證

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為了證實(shí)該界面層的形成，研究人員進(jìn)行了細(xì)致的表征。

電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)碘離子遷移形成富碘化鋰界面層

這層動(dòng)態(tài)形成的LiI界面層具備以下關(guān)鍵功能：

動(dòng)態(tài)填充：在鋰剝離產(chǎn)生空隙時(shí)，遷移而來(lái)的陰離子能及時(shí)填充，維持物理接觸。

應(yīng)力緩沖：該界面層能適應(yīng)鋰沉積/剝離過(guò)程中的體積變化，緩解應(yīng)力集中。

離子導(dǎo)通：作為鋰離子導(dǎo)體，它保證了離子在界面處的快速傳輸。

全電池性能：低壓力下的超穩(wěn)定循環(huán)

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將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用于全固態(tài)電池，獲得了突破性的電化學(xué)性能。

研究團(tuán)隊(duì)制備了以鋰硼合金為負(fù)極、Li?Ti?O??為正極的全電池。在1.25 mA cm?2的電流密度和低外部壓力條件下，電池實(shí)現(xiàn)了2400次超長(zhǎng)循環(huán)，容量保持率高達(dá)90.7%。其充放電曲線在循環(huán)前后極化電壓增長(zhǎng)極小，表明界面結(jié)構(gòu)保持高度穩(wěn)定。

基于DAI的全電池電化學(xué)性能

更為重要的是，該策略在實(shí)際器件中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。基于該技術(shù)組裝的軟包電池，在移除外部堆疊壓力后，經(jīng)過(guò)300次循環(huán)仍能保持74.4%的初始容量，證明了其在接近實(shí)用條件下的可行性。

該項(xiàng)研究工作通過(guò)引入動(dòng)態(tài)自適應(yīng)界面的概念，為解決全固態(tài)電池中固-固界面接觸失效這一長(zhǎng)期存在的難題提供了全新路徑。其主要意義在于：

原理創(chuàng)新：首次系統(tǒng)性地提出并驗(yàn)證了通過(guò)調(diào)控陰離子遷移來(lái)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面的策略。

性能突破：實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)鋰金屬電池在低外部壓力下的超長(zhǎng)循環(huán)壽命，性能指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

技術(shù)通用性：該設(shè)計(jì)理念可擴(kuò)展至其他陰離子體系及堿金屬負(fù)極，具備廣泛的適用前景。

推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化：通過(guò)降低對(duì)高堆疊壓力的依賴，簡(jiǎn)化了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用掃除了一項(xiàng)關(guān)鍵障礙。

這項(xiàng)成果標(biāo)志著全固態(tài)電池研究從被動(dòng)應(yīng)對(duì)界面問(wèn)題轉(zhuǎn)向了主動(dòng)設(shè)計(jì)與調(diào)控界面，為發(fā)展下一代高性能、高安全性儲(chǔ)能器件奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

原文參考：Adaptive interphase enabled pressure-free all-solid-state lithium metal batteries.

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