張熙熙
一、陽極 【科學背景】 ??
鋰離子電池推動了消費電子產(chǎn)品的固態(tài)發(fā)展，加速了電動汽車的電池的電普及。但是化學目前的鋰離子電池技術仍難以滿足重型車輛和電動飛行器等領域的要求。固態(tài)電池（SSBs）使用固態(tài)電解質(zhì)（SSE）取代液體電解質(zhì)，力學可以使用更安全更高容量的材料電極（如鋰金屬），從而展現(xiàn)出能量密度比現(xiàn)有的陽極鋰離子電池高出50%的巨大優(yōu)勢。此外，固態(tài)SSBs在避免易燃方面，電池的電即改進安全性方面，化學也具有極大的力學優(yōu)勢。然而，材料鋰金屬陽極提供了卓越的陽極能量密度的同時，鋰箔嚴格的固態(tài)制備環(huán)境，需要高昂的電池的電成本。無陽極SSB為這一問題提供了一個潛在的解決方案，同時實現(xiàn)了更高的能量密度。“無陽極”這一術語指的是在電池組裝時負極沒有額外的鋰金屬存在。 這種架構也被稱為“無負極”、“無儲鋰”或“零鋰”。。
在無陽極SSB中，完全鋰化（放電）的陰極活性材料，如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，與負極SSE界面處不存在過量鋰金屬的集流體配對。金屬鋰在充電時被鍍在集流體上，放電時被剝離。由于某些固態(tài)電池與鋰金屬具有良好的界面穩(wěn)定性，并且固體-電解質(zhì)界面相（SEI）的形成在空間上仍然局限于該平面界面，因此無陽極SSB可以說比無陽極液態(tài)電池更有前途，因為無陽極液態(tài)電池在每個充放電周期中都傾向于持續(xù)形成SEI。
常規(guī)鋰過量SSBs的性能在很大程度上取決于鋰SSE界面的動態(tài)演變。在電池放電過程中，鋰從界面上被移除（剝離），如果這個過程發(fā)生得太快，無法補充耗盡的鋰，就會形成空隙，導致界面接觸損失和高阻抗。這種形式的界面接觸損失發(fā)生在固態(tài)電池中，而不在液態(tài)電解質(zhì)電池中發(fā)生，它會強烈影響循環(huán)行為。在隨后的充電中，不完美的接觸會導致不均勻的鋰沉積，在空隙周圍的電流濃度會導致枝晶和絲狀生長，從而穿透SSE并導致短路。
與鋰過量SSBs一樣，無陽極SSBs的行為在很大程度上取決于界面演化和降解現(xiàn)象。然而，與鋰過量的情況相反，無陽極系統(tǒng)對其他因素敏感。空間均勻的鍍鋰和剝離鋰是防止循環(huán)過程中電流濃度的理想選擇。為了實現(xiàn)高能量密度和長循環(huán)壽命，無陽極電池的庫侖效率（CE）應該非常高（>99.95%），因為系統(tǒng)中沒有多余的鋰來補充任何因副反應而損失的鋰。這些因素都與無陽極SSBs的基本電化學力學現(xiàn)象有關。
二、【創(chuàng)新成果】
近日，來自佐治亞理工學院的Matthew T. McDowell?等研究者在Nature Materials期刊發(fā)表了題為“Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”的論文，該項研究概述了在無陽極固態(tài)電池中控制鋰成核、生長、剝離和循環(huán)的因素，包括鋰的機械變形、集流體的化學和機械性能、微觀結構效應和剝離動力學。討論了工程接口最大化性能和延長電池壽命的途徑。最后，作者提出了一些關鍵的研究問題，包括了解低堆疊壓力下的行為，調(diào)整界面生長，以及設計電流收集器和中間層。
圖1? SSBs的結構。? 2025 Springer Nature Limited
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圖2? 影響無陽極固態(tài)電池中鋰初始沉積的因素。? 2025 Springer Nature Limited
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圖3? 影響無陽極固態(tài)電池充放電循環(huán)行為的因素。? 2025 Springer Nature Limited
圖4無陽極固態(tài)電池中沉積鋰的表征。? 2025 Springer Nature Limited
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?三、【科學啟迪】
與鋰電池相比，無陽極固態(tài)電池在推進儲能技術方面具有巨大的潛力，具有優(yōu)越的能量密度和易于制造的特點。盡管近年來在理解行為方面取得了進展，但無陽極SSBs的科學和技術仍處于發(fā)展的早期階段。
該項成果概述了控制無陽極固態(tài)電池中鋰沉積、剝離和循環(huán)的因素，強調(diào)電化學和力學之間的相互作用如何在決定行為中起關鍵作用。使用高堆疊壓力和溫度來提高性能相對容易，但是也需要關注低堆壓（< 1mpa）對材料演變的影響。此外，由于蠕變可以依賴于沿微觀結構特征的擴散，因此對鋰的微觀結構控制可以提高蠕變速率。并且，鋰中的雜質(zhì)可能在剝離過程中積聚在界面上或影響鋰的微觀結構。需要進一步了解鋰原子雜質(zhì)對無陽極固態(tài)電池循環(huán)行為的影響。由于界面質(zhì)量的重要性，電池組裝方法在決定電池性能方面也起著至關重要的作用。
未來的策略可能側重于調(diào)整相間層，以最大限度地減少鋰的消耗。這可以通過在鋰沉積前將集流體保持在可控電位來改變界面形成，通過修改SSE表面成分或添加薄的“人工SEI”層來實現(xiàn)。另一個提高性能的策略是在剝離結束時對電流和電壓進行閉環(huán)反饋控制，以精確控制材料的演變。設計負極集流體或SSE的界面微觀結構來促進有效的鋰循環(huán)也是有效的。最后，應用原位operando表征來提高對操作和降解模式的理解將繼續(xù)對該技術的發(fā)展至關重要。
原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02055-z
