鋰電池，再發一篇Nature！

一、【導讀】

近年來，高能量密度的鋰金屬電池不斷發展，但隨之而來的電池安全問題引發了研究界的一片擔憂。其中，高反應活性的鋰金屬與液態電解質的化學反應會不斷消耗電解液，且循環過程中形成的鋰枝晶也會加速電池的安全問題。在這其中，匹配NMC811正極的全固態鋰金屬電池（ASSLBs）可以滿足電動汽車和大型儲能系統的高能量密度和安全要求，但ASSLBs循環需要一個高的堆疊壓力去減少界面處的高界面阻抗，這也限制了ASSLBs的商業化進程。一般來說，在負極側，通過引入一些具有高導電性的層（比如Au和Al等），高嵌鋰電位的中間層（Si、Sn、Sb和In等）和一些疏鋰界面層，但不能同時發揮防止SSE還原和抑制鋰枝晶生長的功能。在正極側，常見的使用LiNbO₃改性NMC811正極材料在循環過后仍然具有清晰可見的裂紋，這也證明了現有的正極包覆層在長循環過程中的穩定性一直是制約電池性能提升的最大障礙！如何高效構建正負極同時穩定的界面設計，促使NMC811||Li ASSLB即使在低堆疊壓力下也能實現優異電化學性能，這是促進ASSLBs商業化進程的關鍵環節！

二、【成果掠影】

在此，美國馬里蘭大學王春生教授等人（共同通訊作者）在正極測采用不同重量比的Bi和Mg粉體球磨法合成了不同成分的Mg-Bi合金（Mg_xBi₈₄；x=0、2、8、16、24）。由于Mg₁₆Bi₈₄使Li₆PS₅Cl在1.9?mA?cm^-2和1.9?mAh?cm^-2下達到最高的臨界電流密度（CCD），選擇它來研究Li沉積/剝離活化過程中的Mg遷移過程。Mg₁₆Bi₈₄負極夾層的優點包括：LiMgS_x?SEI的形成保護了Li₆PS₅Cl免受還原，并將Li₆PS₅Cl電解質與Li₃Bi層緊密接觸；同時，Mg向鋰負極的遷移將Li₃Bi層粘結到鋰負極，在高容量容量時在多孔Li₃Bi層的孔中沉積，有效地緩解Li沉積/剝離過程中的應力變化，降低了堆積壓力；Li₃Bi/Li₆PS₅Cl界面的高電位（約0.7 V）進一步穩定了Li₆PS₅Cl電解質，加速了Mg的遷移。更加重要的一點是，Li₃Bi的高離子/電子電導率確保了Li沉積在Li₃Bi/Li界面上，而不是在Li₃Bi/Li₆PS₅Cl界面上。

在正極側，作者使用一種富氟（F）的界面層，其中F陰離子能夠在4.3V時從NMC811表面層遷移到NMC811體相中，從而使得表明涂覆轉化為F摻雜，最終使得NMC811從表面到體相的材料穩定性得到大幅度提高，即使在2.5 MPa的低堆疊壓力下也能實現極其優異的性能。

相關研究成果以“Interface design for all-solid-state lithium batteries”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文負極使用Mg₁₆Bi₈₄中間層作為界面包覆層，鋰沉積/剝離過程中形成的LiMgS_x?SEI保護了Li₆PS₅Cl免受還原，并將Li₆PS₅Cl電解質與Li₃Bi層緊密接觸；

2.本文正極使用一種富氟（F）的界面層，其中F陰離子能夠在4.3V時從NMC811表面層遷移到NMC811體相中，從而使得表明涂覆轉化為F摻雜，最終使得NMC811從表面到體相的材料穩定性得到大幅度提高。

四、【數據概覽】

圖1 Mg₁₆Bi₈₄向LiMgS_x/Li₃Bi/LiMg原位轉化的設計原理? 2023 Springer Nature

圖2 Li/Mg₁₆Bi₈₄-Li₆PS₅Cl-Mg₁₆Bi₈₄/Li對稱電池的電化學性能? 2023 Springer Nature

圖3 全電池電化學性能測試? 2023 Springer Nature

圖4 F摻雜NMC811正極和Mg₁₆Bi₈₄夾層負極的全電池表征和電化學性能? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文設計和開發了一種兼具正極和負極的界面層，共同提高全固態鋰金屬電池性能。其中在Li/Li₆PS₅Cl界面上設計了Mg₁₆Bi₈₄層抑制Li枝晶的生長，在NMC811正極上設計了富F層以降低電池界面電阻。同時，通過鋰沉積-剝離過程，Mg₁₆Bi₈₄轉換為多功能LiMgS_x-Li₃Bi-LiMg結構層作為固體電解質中間相，而NMC811正極在4.3 V的高電位下F陰離子電化學遷移到NMC811體相中，使得富F界面的NMC811轉化為摻雜F的NMC811正極，雙重作用實現了具有商業化前景的全固態鋰金屬電池。

文獻鏈接：“Interface design for all-solid-state lithium batteries”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06653-w）

本文由材料人CYM編譯供稿。