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临界电流密度（CCD）作为目前评估固态电解质（SSEs）抑制锂枝晶生长的重要参数，但不同参数下CCD值不统一，导致相同的SSEs的CCD值有较大的偏差。在此，马里兰大学王春生教授提出利用临界界面过电位（CIOP）评估SSEs抑制锂生长的能力。其中，CIOP是界面的固有属性，取决于电子/离子电导率、亲疏锂性和机械强度。研究表明，当施加的界面过电位（AIOP）大于CIOP时，锂枝晶将形成。为了降低AIOP同时增加CIOP，本文在Li6PS5Cl SSE和Li-1.0 wt%La负极之间设计了一种混合导电的Li2NH-Mg中间层，在退火和活化过程中通过Mg迁移后最终形成Li6PS5Cl/LiMgSx/LiH-Li3N/LiMgLa全固态电池。研究表明，由此形成的LiMgSx界面能够使CIOP从~10mV（相对于Li6PS5Cl）增加到~220 mV。同时，锂金属沉积到LiMgLa和在多孔LiH-Li3N中实现了可逆有助于降低AIOP。因此，本文提出的CIOP为高能和室温全固态锂金属电池的设计提供了新的指南。相关文章以“Critical interphase overpotential as a lithium dendrite-suppression criterion for all-solid-state lithium battery design”为题发表在Nature Energy上。全固态锂电池（ASSLBs）同时高能量密度和高安全性的特性，但锂枝晶生长和高界面阻抗极大地限制了ASSLBs的循环寿命，特别是在高面容量、室温和低压力下。通常情况下，临界电流密度（CCDs）用于评估SSEs抑制锂枝晶生长的能力，但往往CCD不仅取决于SEI的性质，还取决于SSE厚度，施加的堆叠压力和锂沉积/剥离能力/次数等。例如，CCD值随SSE厚度的增加而增大，但随锂沉积/剥离时间/容量的增加而减小。因此，同一SSE报道的CCD值差异巨大，很难评估电解质抑制锂枝晶生长的能力。由于缺乏可靠的评估锂抑制枝晶生长准则，SSE设计主要采用试错策略。具有高离子电导率和高疏锂性但极低电子电导率的中间层可以防止SSE表面析锂，但也增加了锂沉积过电位，而具有高电子导电性的亲锂合金中间层导致锂沉积在SSE表面。本文未采用CCD来评估SSE在固态电池中抑制锂枝晶生长的能力，而是引入了临界界面过电位（CIOP）来评估抑制锂枝晶在Li/SSE界面处破坏界面的能力。为了实现较高的抑制锂枝晶生长能力，最佳环境是界面过电位（AIOP）较低，SEI（或界面）的CIOP应较高。其中，在硫化物固态电解质与锂金属反应形成SEI中，当SEI/SSE的电位高于SSE的还原电位或电子传导被SEI阻断时，SEI的增长就会停止。当过电位施加于锂负极（SEI表面）时，锂开始在Li/SEI界面处沉积。当AIOP等于或大于CIOP时，锂枝晶开始穿透SEI。因此，CIOP反映了界面抑制锂枝晶形成的能力。当锂枝晶形成时，可以通过从整体的锂沉积过电位（OOP）中减去SSE过电位（SSEOP）来确定CIOP（图1d）。为了准确测量锂沉积电位，优化了锂参比电极（RE）在SSE上的位置。三电极电池中独特的Cu-Li RE能够准确地测量CIOP（图1a），并且可以通过公式（1）和（2）从电极上减去电解液体相过电位来计算CIOP：图1. CIOP的定义、设计原理及无锂枝晶中间膜的设计准则为了在室温和低压下实现高能和长循环寿命的ASSLB，Li和SSE之间的中间层应保持AIOP/CIOP<1。SSE的还原、空洞的形成和高的界面阻抗会增加AIOP，而界面疏锂会增加CIOP。因此，中间层设计应具备：多孔和疏锂，具有高离子导电性和中等电子导电性，以便在锂沉积/剥离循环中实现高度可逆地穿透到孔中。同时保持SSE表面的疏锂/自钝化SEI可以保证高CIOP，而多孔中间层和高锂扩散率的Li-m合金可以降低AIOP。图2. 离子和元素分布、具有Li负极和Li6PS5Cl电解质的中间层形貌在中间层设计原则的指导下（AIOP/CIOP<1），本文通过在Li-1.0 wt% La负极（Li中La的重量比为1.0 wt%）和Li6PS5Cl SSE之间插入Li2NH-Mg复合材料中间层，然后在60℃下热处理12 h。其中，使用Li-1.0 wt% La而不是锂来增加Li+的扩散率，从而抑制了Li-1.0 wt% La和人工界面之间的空隙形成。在热处理过程中，Li2NH分解为LiH-Li3N，中间层中的Mg与Li6PS5Cl SSE原位在LiH-Li3N层与Li6PS5Cl之间形成钝化LiMgSx层。图3. 具有Li2NH-Mg中间层的Li-1.0 wt%La和Li6PS5Cl的CIOP和CCD图4. NMC622/Li3YCl6/Li6PS5Cl/Li2NH-Mg/Li-1.0 wt%La的电化学性能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【免费】为国内外课题组发布招聘信息，详情联系电话/微信：13632601244球差、冷冻电镜、原位TEM、HR-TEM、EDS-Mapping、SAED、HAADF-STEM、EELS、ABF-STEM应有尽有！Science、Nature级别水平！发顶刊，拍TEM，找我们就对了！