全固態(tài)鋰金屬電池因其潛在的高能量密度和本征安全性，被視為下一代儲能技術的重要發(fā)展方向。然而，鋰金屬負極與固態(tài)電解質(zhì)之間固-固界面的物理接觸失效，是制約其實際應用的關鍵科學問題。在循環(huán)過程中，界面空洞的形成與演化會導致電池內(nèi)阻激增和鋰枝晶生長，最終引起性能迅速衰減。

傳統(tǒng)解決方案依賴施加較高的外部堆疊壓力以維持界面接觸，但這不僅增加了系統(tǒng)復雜性和成本，也為電池的安全運行帶來了潛在風險。

近日，中國科學院研究團隊在《自然·可持續(xù)發(fā)展》上發(fā)表的研究論文，提出了一種名為動態(tài)自適應界面的創(chuàng)新性設計。該設計通過促使固態(tài)電解質(zhì)中的特定陰離子發(fā)生可控遷移，在電極/電解質(zhì)界面原位形成一層能夠動態(tài)適應體積變化的界面層，從而在低外部壓力下實現(xiàn)了全固態(tài)鋰金屬電池的超長循環(huán)壽命。

固態(tài)電池的核心挑戰(zhàn)

Millennial Lithium

在電池的循環(huán)過程中，特別是在鋰金屬的剝離階段，界面處會產(chǎn)生鋰空位。由于固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬均為剛性材料，其自身難以通過蠕變完全填補這些空位，導致微觀空洞的形成。此外，電極和電解質(zhì)材料在制備過程中存在的表面缺陷，也會形成初始接觸不良區(qū)域。

這些空洞會造成兩方面主要影響：

有效接觸面積減小，導致局部電流密度過高，加劇鋰的不均勻沉積與溶解，可能誘發(fā)鋰枝晶。

離子傳輸路徑受阻，使得電池整體阻抗增大，極化加劇，容量快速衰減。

動態(tài)自適應界面

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為解決上述問題，研究團隊摒棄了單純依靠外部壓力維持接觸的思路，轉(zhuǎn)而設計了一種能夠主動適應界面變化的智能結(jié)構(gòu)。

其核心在于利用具有可控陰離子遷移能力的固態(tài)電解質(zhì)。研究人員通過理論計算，從大量含鋰無機材料中篩選出鋰離子與陰離子遷移能壘相近的候選化合物。最終，他們選定了碘離子摻雜的硫化物電解質(zhì)Li?.?PS?I?.?作為模型體系。

固態(tài)電解質(zhì)中陰離子遷移能力的計算與驗證

在該電解質(zhì)中，碘離子在電場驅(qū)動下可發(fā)生定向遷移。在電池循環(huán)時，鋰金屬負極處發(fā)生氧化反應生成鋰離子，誘導電解質(zhì)中的碘離子向界面區(qū)域遷移。兩者結(jié)合，在界面處原位生成一層以碘化鋰為主要成分的界面層。

界面層的形成機制與功能驗證

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為了證實該界面層的形成，研究人員進行了細致的表征。

電場驅(qū)動碘離子遷移形成富碘化鋰界面層

這層動態(tài)形成的LiI界面層具備以下關鍵功能：

動態(tài)填充：在鋰剝離產(chǎn)生空隙時，遷移而來的陰離子能及時填充，維持物理接觸。

應力緩沖：該界面層能適應鋰沉積/剝離過程中的體積變化，緩解應力集中。

離子導通：作為鋰離子導體，它保證了離子在界面處的快速傳輸。

全電池性能：低壓力下的超穩(wěn)定循環(huán)

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將這一設計應用于全固態(tài)電池，獲得了突破性的電化學性能。

研究團隊制備了以鋰硼合金為負極、Li?Ti?O??為正極的全電池。在1.25 mA cm?2的電流密度和低外部壓力條件下，電池實現(xiàn)了2400次超長循環(huán)，容量保持率高達90.7%。其充放電曲線在循環(huán)前后極化電壓增長極小，表明界面結(jié)構(gòu)保持高度穩(wěn)定。

基于DAI的全電池電化學性能

更為重要的是，該策略在實際器件中展現(xiàn)出應用潛力?；谠摷夹g組裝的軟包電池，在移除外部堆疊壓力后，經(jīng)過300次循環(huán)仍能保持74.4%的初始容量，證明了其在接近實用條件下的可行性。

該項研究工作通過引入動態(tài)自適應界面的概念，為解決全固態(tài)電池中固-固界面接觸失效這一長期存在的難題提供了全新路徑。其主要意義在于：

原理創(chuàng)新：首次系統(tǒng)性地提出并驗證了通過調(diào)控陰離子遷移來動態(tài)穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面的策略。

性能突破：實現(xiàn)了全固態(tài)鋰金屬電池在低外部壓力下的超長循環(huán)壽命，性能指標處于國際領先水平。

技術通用性：該設計理念可擴展至其他陰離子體系及堿金屬負極，具備廣泛的適用前景。

推動產(chǎn)業(yè)化：通過降低對高堆疊壓力的依賴，簡化了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為全固態(tài)電池的商業(yè)化應用掃除了一項關鍵障礙。

這項成果標志著全固態(tài)電池研究從被動應對界面問題轉(zhuǎn)向了主動設計與調(diào)控界面，為發(fā)展下一代高性能、高安全性儲能器件奠定了堅實的科學基礎。

原文參考：Adaptive interphase enabled pressure-free all-solid-state lithium metal batteries.

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