固態(tài)電池因其高能量密度和增強(qiáng)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵障礙。如今，研究人員通過(guò)將一種電化學(xué)惰性且機(jī)械柔軟的金相相整合到鋰金屬陽(yáng)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(diǎn)

Millennial Lithium

在傳統(tǒng)鋰金屬陽(yáng)極中，尤其是在低堆壓條件下進(jìn)行鋰剝離時(shí)，會(huì)形成不可逆的空隙。這些空隙會(huì)阻斷鋰離子傳輸路徑，嚴(yán)重?fù)p害電池性能。實(shí)驗(yàn)室研究通常采用高堆壓來(lái)抑制界面空隙，但這種條件對(duì)于商業(yè)電池模塊而言并不現(xiàn)實(shí)。

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

創(chuàng)新解決方案：鋰鈉復(fù)合陽(yáng)極

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最近，Matthew McDowell團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新研究：將鈉金屬作為第二相引入鋰金屬陽(yáng)極中。研究人員通過(guò)冷軋將兩種金屬?gòu)?fù)合，形成鋰鈉復(fù)合電極。

可變形第二相驅(qū)動(dòng)的化學(xué)機(jī)械界面重構(gòu)a. 低堆壓下純鋰陽(yáng)極在鋰剝離過(guò)程中的空隙發(fā)展示意b. 可變形鋰鈉陽(yáng)極在相同條件下的界面保持機(jī)制c. 使用鋰鈉復(fù)合金屬電極的半電池在鋰剝離/沉積過(guò)程中的原位X射線計(jì)算機(jī)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(lái)。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(jì)的巧妙之處在于：電化學(xué)惰性的鈉提供了機(jī)械柔軟性，使得復(fù)合電極能夠變形并維持界面接觸。在鋰剝離過(guò)程中，鈉域會(huì)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(jì)的界面自適應(yīng)

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研究團(tuán)隊(duì)借用生物學(xué)中的"形態(tài)發(fā)生"概念來(lái)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(jìn)行動(dòng)態(tài)重組，以維持其結(jié)構(gòu)完整性。

通過(guò)原位X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像，研究人員直接觀察到了電池循環(huán)過(guò)程中界面的動(dòng)態(tài)變化。圖像顯示，隨著鋰的去除，鈉會(huì)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(hù)層。

實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)與未來(lái)展望

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這種形態(tài)發(fā)生策略使得鋰金屬陽(yáng)極能夠在低至0.8兆帕的堆壓下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰剝離，這是目前固態(tài)電池報(bào)告中最低的堆壓值之一。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將鋰鈉復(fù)合陽(yáng)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(xué)條件下仍能支持穩(wěn)定循環(huán)，而不會(huì)發(fā)生界面降解。

值得注意的是，近期另一項(xiàng)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(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)形成對(duì)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(duì)鋰鈉陽(yáng)極的電化學(xué)和機(jī)械性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

未來(lái)的研究可能需要重點(diǎn)關(guān)注第二相的形態(tài)、分散度和連通性的調(diào)控，以進(jìn)一步優(yōu)化這一策略。最終，通過(guò)利用材料的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)來(lái)構(gòu)建和穩(wěn)定電池界面，可能將成為實(shí)現(xiàn)基于金屬陽(yáng)極的固態(tài)電池系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化的關(guān)鍵。

原文參考：Bringing deformability to lithium metal