新型固态锂电池面世，兼具快充能力，有望用于手机和汽车等

研究人员发现，尽管全固态锂金属电池有望实现较高的能量密度、以及快速充电能力，但是高压氧化物正极与固体电解质（SSE，solid state electrolyte）之间的界面不稳定性，以及锂金属负极与固体电解质界面处的锂枝晶生长，制约了这一目标的实现。

在近期一项工作中，美国马里兰大学王春生团队从这两个关键的制约因素出发，通过合理的界面设计方案，打造了具备较高能量密度的全固态锂金属电池，并成功实现了快速充电的能力。

电池的高能量密度和快充能力，是当前电子产品和电动汽车等的设备普遍需求，因此该成果有可能用于手机、电动汽车、电脑等领域。

该课题组前期的研究[1]发现临界相间过电位是衡量固体电解质界面（SEI，solid–electrolyte interphase）抑制锂枝晶生长能力的关键因素。

为了实现界面较高的锂枝晶抑制能力，就得让锂枝晶生长的驱动力，低于固体电解质界面本征的锂枝晶抑制能力。

因此，要实现高容量以及大倍率下的充放电，对于 Li/ 固体电解质界面来说，必须为其设计一个界面，以便可以同时提高锂枝晶抑制能力，以及降低锂枝晶生长的驱动力。

在高容量以及大倍率下，电池充放电的稳定性也与正极有关。对于液态锂离子电池来说，已经有大量研究证明元素 F 能在很大程度上保持 NMC811 正极的稳定性。

后来，他们选择四氟硼酸锂作为 NMC811 表面的包覆层。通过将一部分 F 从 NMC811 表面电化学迁移到 NMC811 体相，让 NMC811/Li6PS5Cl 界面、以及 NMC811 体相实现了较好的稳定性。

而要想通过界面层来降低锂枝晶生长的驱动力，就得实现 Li/ 固体电解质之间各个界面的紧密接触。以人工方式加入界面层时，会存在接触不均匀的问题。而在电化学反应过程中，原位生成的界面则能实现各个界面之间的紧密接触。

通过筛选各种金属材料，他们发现镁能同时与 Li6PS5Cl 和锂反应，而生成的 LiMgSx 以及 LiMg，可以起到粘结剂的作用，从而实现 Li6PS5Cl/ 锂化铋以及锂/锂化铋界面之间的紧密接触。

另外，通过提高金属锂与界面层的接触，可以进一步降低界面阻抗，从而进一步降低锂枝晶生长的驱动力。要想实现这一目标，通过设计多孔界面层即可实现。

而在多孔界面层中，要想进一步降低锂沉积的过电位，并使锂沉积在锂和多孔界面层之间，就要求多孔界面层具有较高的离子/电子电导率比。通过筛选各个材料，他们发现锂化铋的确能够满足这些条件。

同时，他们发现镁在锂沉积过程中会向锂负极侧迁移，这样一来就能原位得到锂化铋多孔界面层。于是，课题组使用 Mg16Bi84 作为锂/固体电解质之间的界面层。

虽然实验结果显示镁可以原位迁移，同时 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。但是，他们仍然不清楚镁迁移的内在原因。

后来，课题组通过大量表征、实验和计算，确定了相关机理。即镁的迁移主要依赖于以下几个原因：

其一，镁能和 Li+ 能形成（LiMgx）+；

其二，镁能和锂形成固溶体；

其三，在锂化铋之中，（LiMgx）+ 的迁移能垒较低，而 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。

凭借这几方面优势，让 Mg16Bi84 界面层能够有效地防止锂枝晶的生长，并能在大容量和大倍率之下，实现锂金属高度可逆的沉积和脱出。

总的来说，本次工作通过采用价格低廉的 Mg16Bi84 界面层，既让全固态锂金属电池拥有了较高的能量密度，也让其实现了快充能力。

图 | 相关论文（来源：Nature）

日前，相关论文以《全固态锂电池界面设计》（Interface design for all-solid-state lithium batteries）为题发在 Nature[2]，马里兰大学万红利博士是第一作者，王春生教授担任通讯作者。

图 | 万红利（来源：万红利）

基于这款电池的设计原理，他们正在研究新的界面层，以便进一步地降低成本。另据悉，万红利目前在该课题组从事博士后研究，未来即将回国进行后续科研工作。