近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院鄒如強(qiáng)教授與高磊副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)、深圳屹艮科技有限公司等單位，在國(guó)際頂級(jí)期刊Science Advances發(fā)表題為“Dynamic Control of Lithium Dendrite Growth with Sequential Guiding and Limiting in All-Solid-State Batteries”的研究論文（DOI: 10.1126/sciadv.adw9590）。該研究創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了一種“引導(dǎo)+限制”的鋰枝晶動(dòng)態(tài)調(diào)控策略，通過(guò)對(duì)固態(tài)電解質(zhì)層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰枝晶的有效疏導(dǎo)與自限生長(zhǎng)。
全固態(tài)鋰金屬電池因其優(yōu)異的安全性能和更高的理論能量密度，被視為下一代儲(chǔ)能體系的重要發(fā)展方向。然而，在電池循環(huán)過(guò)程中，負(fù)極界面極易形成鋰枝晶，持續(xù)生長(zhǎng)的鋰枝晶可能貫穿電解質(zhì)，從而引發(fā)短路及帶來(lái)安全隱患，制約了全固態(tài)鋰金屬電池規(guī)模化應(yīng)用。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，高機(jī)械強(qiáng)度的固態(tài)電解質(zhì)能夠有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。但實(shí)驗(yàn)研究表明，即使采用高模量電解質(zhì)（如Li7La3Zr2O12，51-62 GPa），鋰枝晶仍可在較低電流密度下貫穿固態(tài)電解質(zhì)。這主要源于固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部存在的晶界、孔洞等微觀缺陷，為鋰枝晶提供了潛在生長(zhǎng)路徑。盡管可通過(guò)致密化燒結(jié)、界面包覆等手段進(jìn)行優(yōu)化，這些缺陷仍難以完全消除，這表明完全抑制鋰枝晶生長(zhǎng)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了“順其性而制其形”的全新策略——與其試圖徹底抑制鋰枝晶，不如疏導(dǎo)其有序生長(zhǎng)并在關(guān)鍵位置實(shí)現(xiàn)自限。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由粗、細(xì)顆粒構(gòu)成的分級(jí)結(jié)構(gòu)層，作為穩(wěn)定界面層覆蓋于易與鋰金屬反應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì)（如Li2ZrCl6或Li10GeP2S12）表面。其中，粗顆粒提供機(jī)械剛性以阻礙鋰枝晶穿透，細(xì)顆粒則填充空隙，以維持良好界面接觸并保障鋰離子傳輸。該分級(jí)結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)路徑的空間引導(dǎo)，還借助鋰枝晶與Li2ZrCl6等固態(tài)電解質(zhì)局部反應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力，誘發(fā)了鋰枝晶的“自限效應(yīng)”，在界面處形成自限區(qū)域，從而限制其進(jìn)一步生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰枝晶的動(dòng)態(tài)調(diào)控，顯著提升了界面穩(wěn)定性與電池循環(huán)壽命。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該策略不僅顯著增強(qiáng)了對(duì)稱電池的循環(huán)穩(wěn)定性，還可適配多種主流正極材料（如LiFePO4、LiCoO2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和相場(chǎng)模擬，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了鋰枝晶在分級(jí)結(jié)構(gòu)中的受控分布、生長(zhǎng)引導(dǎo)及自限過(guò)程，揭示了該電解質(zhì)結(jié)構(gòu)中力-電化學(xué)耦合的調(diào)控機(jī)制。此外，該策略展現(xiàn)出良好的通用性，已在多種固態(tài)電解質(zhì)體系中得到有效性驗(yàn)證，顯示出其作為一類通用界面工程方法的廣闊應(yīng)用前景。
圖1. 固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)及鋰枝晶調(diào)控的原理圖
作者信息：
北京大學(xué)新材料學(xué)院鄒如強(qiáng)教授、高磊副研究員，南方科技大學(xué)韓松柏研究教授以及深圳屹艮科技有限公司左沄興博士為本文的共同通訊作者，新材料學(xué)院博士生狄龍邦和深圳屹艮科技有限公司黃宗吉為共同第一作者，我院鄭家新副教授為本工作的理論計(jì)算部分作出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
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