第一作者：Hongli Wan, Zeyi Wang通讯作者：王春生通讯单位：美国马里兰大学 【研究亮点】临界电流密度(CCD)目前用于评估固态电解质(SSE)的锂枝晶抑制能力。然而，CCD值随参数变化，导致同一SSE的CCD值偏差较大。本文提出使用临界相间过电位(CIOP)评估SSE的锂枝晶抑制能力。CIOP是界面的固有特性，它取决于电子/离子电导率、疏锂性和机械强度。当施加的相间过电势（AIOP）大于CIOP时，Li将以枝晶形式生长到相间。同时作者在固态电解质和Li负极间设计了一个混合导电的Li2NH-Mg中间层以降低AIOP同时增加CIOP。 【主要内容】全固态锂电池有同时实现高能量密度和安全性的前景。然而，锂枝晶生长和高界面电阻限制了 固态锂电池的循环寿命。而固态电解质还原产生的固态电解质界面不能阻止锂枝晶的生长。临界电流密度通常用于评估SSE的锂枝晶抑制能力。CCD定义为使Li枝晶能够通过SEI和SSE生长并使电池短路的电流密度。CCD不仅取决于SEI的特性，还取决于SSE厚度、施加的堆叠压力和Li电镀/剥离容量/次数等。因此，报告的相同SSE的CCD值非常分散，很难评估电解质的锂枝晶抑制能力。由于在SSE上形成的SEI不能抑制Li枝晶生长，因此研究人员在Li/SSE处插入了具有不同电子和离子电导率、疏锂性、Li溶解度和孔隙率的人工界面，但仍有增加锂电镀过电位或还原SSE等问题。 鉴于此，美国马里兰大学王春生教授课题组提出引入临界相间过电位(CIOP)来评估界面抑制锂枝晶在Li/SSE处进入界面的能力并设计了一个混合导电的Li2NH-Mg中间层提升固态电解质对锂枝晶的抑制能力。当AIOP等于或大于CIOP时，锂枝晶开始渗透SEI，随着AIOP的进一步增加，电流密度将增加，Li枝晶进一步生长通过相间并渗透到SSE中。因此，CIOP提供了Li枝晶开始渗透到界面所需的过电位，这取决于界面的本征性质。为实现高锂枝晶抑制能力，施加的AIOP应较低，SEI（或相间）的CIOP应较高。作者使用CIOP评估了包含Li2NH-Mg中间层的Li/SSE界面处SEI的锂枝晶抑制能力。Li2NH-Mg夹层使Li6PS5Cl电解质在25°C下实现222.9mV的高CIOP和5.5mAcm−2/ 5.5mAh cm−2的CCD以及在60°C高达7.0 mA cm−2 /7.0mAhcm−2的稳定循环。采用NMC622正极的全固态锂电池在25°C和2.5MPa的低堆压下以0.76 mA cm−2的电流密度循环100次后可保持1.9 mAh cm−2的高可逆容量。本文提出的CIOP可为高能和室温全固态锂金属电池提供设计指导。Fig. 1 | CIOP definition, designing principle and the realization of lithium dendrite-free interlayer.Fig. 2 | Ion and element distribution, morphology of interlayer with Li anode and Li6PS5Cl electrolyte.Fig. 3 | CIOP and CCD of Li6PS5Cl electrolyte with Li2NH-Mg interlayer inserted between Li-1.0 wt% La and Li6PS5Cl.Fig. 4 | Electrochemical performance of NMC622/Li3YCl6/Li6PS5Cl/Li2NH-Mg/Li-1.0 wt% La cell. 【文献信息】Wan, H., Wang, Z., Liu, S. et al. Critical interphase overpotential as a lithium dendrite-suppression criterion for all-solid-state lithium battery design. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01231-w