固態(tài)電池因其高能量密度和增強的安全性而備受關(guān)注。然而，固體電解質(zhì)層與電極之間形成的空隙，已成為制約其長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵障礙。如今，研究人員通過將一種電化學惰性且機械柔軟的金相相整合到鋰金屬陽極中，成功解決了這一難題。

界面空隙：固態(tài)電池的致命弱點

Millennial Lithium

在傳統(tǒng)鋰金屬陽極中，尤其是在低堆壓條件下進行鋰剝離時，會形成不可逆的空隙。這些空隙會阻斷鋰離子傳輸路徑，嚴重損害電池性能。實驗室研究通常采用高堆壓來抑制界面空隙，但這種條件對于商業(yè)電池模塊而言并不現(xiàn)實。

問題的根源在于鋰金屬在微觀尺度下的兩個特性：低自擴散系數(shù)和高屈服強度。這使得一旦形成空隙，就難以自我修復。

創(chuàng)新解決方案：鋰鈉復合陽極

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最近，Matthew McDowell團隊在《科學》雜志上發(fā)表了一項創(chuàng)新研究：將鈉金屬作為第二相引入鋰金屬陽極中。研究人員通過冷軋將兩種金屬復合，形成鋰鈉復合電極。

可變形第二相驅(qū)動的化學機械界面重構(gòu)a. 低堆壓下純鋰陽極在鋰剝離過程中的空隙發(fā)展示意b. 可變形鋰鈉陽極在相同條件下的界面保持機制c. 使用鋰鈉復合金屬電極的半電池在鋰剝離/沉積過程中的原位X射線計算機斷層掃描圖像；右側(cè)面板的圖像從左面板的白色方框放大而來。紅色方框的灰度分布反映了原子序數(shù)差異，電極中低原子序數(shù)的鋰區(qū)域顯示更暗。SSE: 固態(tài)電解質(zhì) | PEEK: 聚醚醚酮

這種設(shè)計的巧妙之處在于：電化學惰性的鈉提供了機械柔軟性，使得復合電極能夠變形并維持界面接觸。在鋰剝離過程中，鈉域會向鋰-固體電解質(zhì)界面遷移聚集，有效防止空隙形成，保持緊密的電接觸。

形態(tài)發(fā)生：仿生設(shè)計的界面自適應(yīng)

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研究團隊借用生物學中的"形態(tài)發(fā)生"概念來描述這一現(xiàn)象：界面能夠根據(jù)內(nèi)部刺激和材料通量進行動態(tài)重組，以維持其結(jié)構(gòu)完整性。

通過原位X射線計算機斷層掃描成像，研究人員直接觀察到了電池循環(huán)過程中界面的動態(tài)變化。圖像顯示，隨著鋰的去除，鈉會向界面遷移并重新分布，形成一層致密的、能保持電接觸的保護層。

實際應(yīng)用表現(xiàn)與未來展望

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這種形態(tài)發(fā)生策略使得鋰金屬陽極能夠在低至0.8兆帕的堆壓下實現(xiàn)穩(wěn)定的鋰剝離，這是目前固態(tài)電池報告中最低的堆壓值之一。研究團隊進一步將鋰鈉復合陽極應(yīng)用于高容量的鋰硫固態(tài)電池中，證明了其在苛刻電化學條件下仍能支持穩(wěn)定循環(huán)，而不會發(fā)生界面降解。

值得注意的是，近期另一項研究顯示，即使是微量的鈉在低壓條件下也可能阻礙鋰剝離，這與McDowell團隊的發(fā)現(xiàn)形成對比。這表明，除了鈉的存在本身外，其含量、空間分布和微觀相的相互作用都可能對鋰鈉陽極的電化學和機械性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

未來的研究可能需要重點關(guān)注第二相的形態(tài)、分散度和連通性的調(diào)控，以進一步優(yōu)化這一策略。最終，通過利用材料的內(nèi)部動力學來構(gòu)建和穩(wěn)定電池界面，可能將成為實現(xiàn)基于金屬陽極的固態(tài)電池系統(tǒng)實際應(yīng)用和商業(yè)化的關(guān)鍵。

原文參考：Bringing deformability to lithium metal