固態(tài)電池因其高能量密度和安全性被視為下一代儲能技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向。然而在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)往往難以與鋰金屬負極保持緊密且均勻的接觸，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生巨大的局部電流聚集，進而引發(fā)嚴重的極化現(xiàn)象與枝晶刺穿問題。近期的一項研究提出了一種由高粘度聚合物電解質(zhì)控制的鋰沉積新模式。該模式將鋰限制在界面處并引導(dǎo)其形成堆疊的晶體顆粒，通過鋰與電解質(zhì)之間強烈的物理結(jié)合作用，從根本上阻止了枝晶的進一步生長，為解決上述行業(yè)痛點提供了極具前景的方案。

優(yōu)異的界面接觸

Millennial Lithium

負極有效接觸面積的增加會直接并按比例地降低外加電流密度對界面的負面沖擊，這正是確保電池高倍率性能的核心要素。與傳統(tǒng)負極形貌中空間分布不均且偏大的電流密度模式不同，高粘度電解質(zhì)能夠促使鋰表面與固態(tài)電解質(zhì)之間形成極為緊密的貼合。這種緊密接觸顯著促進了固-固界面的離子傳輸效率，有效降低了電化學(xué)極化并從源頭抑制了枝晶的成核。

電化學(xué)阻抗譜的測量結(jié)果明確顯示，在對稱電池中，這種高粘度電解質(zhì)的界面電阻僅為75.6 Ω cm?2，遠遠低于傳統(tǒng)剛性電解質(zhì)高達234.5 Ω cm?2的阻抗值。塔菲爾曲線測試進一步證實，其交換電流密度達到了0.251 mA cm?2。得益于這種獨特的顆粒堆疊沉積模式以及穩(wěn)固的界面接觸，對稱電池能夠?qū)崿F(xiàn)9.0 mA cm?2的極高臨界電流密度。在長期循環(huán)穩(wěn)定性方面，該體系在0.2 mA cm?2的測試條件下能夠維持4500小時的極低極化電壓（始終小于70 mV），即使將電流密度大幅提升至5 mA cm?2，電池依然能夠穩(wěn)定循環(huán)超過1200小時。循環(huán)前后的測試對比表明，其粘附力僅發(fā)生微小變化（從286.8 nN降至277.9 nN），證明電解質(zhì)的高粘度在長循環(huán)中得到了充分維持，能夠持續(xù)且穩(wěn)定地引導(dǎo)顆粒狀鋰的沉積。

鋰負極防腐

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除了從物理層面調(diào)控鋰的沉積形貌，高粘度電解質(zhì)強勁的界面粘附力還大幅提升了鋰負極的抗腐蝕穩(wěn)定性。通過有限元模擬可以清晰地觀察到，當(dāng)有效接觸面積比例減小并伴隨外加電流密度的增加時，界面過電勢會出現(xiàn)非常顯著的攀升。傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)由于無法在充放電的體積變化中維持充分的物理接觸，往往會導(dǎo)致局部電流密度過高，這無疑加劇了界面處的破壞性副反應(yīng)。這些副反應(yīng)會不斷侵蝕負極表面，造成接觸面積的持續(xù)惡化，最終導(dǎo)致電池電化學(xué)性能的斷崖式衰退。相比之下，高粘性電解質(zhì)能夠如同流體般與負極表面保持極其一致的共形接觸，從而將界面極化降至最低，有效抑制了由副反應(yīng)引起的腐蝕現(xiàn)象，為電池的長效穩(wěn)定循環(huán)保駕護航。

鋰-固態(tài)電解質(zhì)界面接觸對鋰負極腐蝕及鋰硫電池電化學(xué)性能的影響。a,b, 在不同外加電流密度和有效接觸面積組合下，負極過電勢(a)和最大局部電流密度分布(b)的有限元模擬結(jié)果。c,d, 傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)（不完全接觸界面）和粘性固態(tài)電解質(zhì)（完全接觸界面）下負極表面的局部電流密度分布(c)和腐蝕深度分布(d)。e, 使用不同固態(tài)電解質(zhì)的電池循環(huán)10次后鋰箔負極表面的光學(xué)圖像及相應(yīng)的碳摩爾比。f, 不同體系電池在1 C下的循環(huán)穩(wěn)定性對比。g,軟包電池首圈充放電曲線。插圖：超高負載量(10 mg cm?2)硫正極的掃描電鏡圖像。h, 高負載正極軟包電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性

高性能固態(tài)鋰硫電池

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經(jīng)過線性掃描伏安法測試，該高粘度電解質(zhì)展現(xiàn)出4.3 V的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，這已經(jīng)完全能夠滿足高容量鋰硫電池的常規(guī)運行需求。不僅如此，通過引入低共熔溶劑分子替換原有的增塑劑體系，該聚合物電解質(zhì)的截止電壓可以被進一步拓寬至4.7 V，充分證明了這一高粘度聚合物骨架在適配未來高壓正極材料方面的廣泛通用性與設(shè)計彈性。

在全電池的嚴苛評估中，采用該體系的固態(tài)鋰硫電池在經(jīng)歷了0.1 C的低倍率活化后，在1 C的大電流下展現(xiàn)出1003.4 mAh g?1的優(yōu)異初始放電容量，并且在200次深度循環(huán)后，其容量保持率依然高達95.5%，展現(xiàn)出極其緩慢的衰減趨勢。形成鮮明對比的是，采用傳統(tǒng)剛性聚合物電解質(zhì)的電池在短短幾個循環(huán)內(nèi)就出現(xiàn)了急劇的容量喪失。這種性能崩潰主要歸咎于剛性電解質(zhì)導(dǎo)致的固態(tài)接觸不良，不僅引發(fā)了嚴重的局部極化和負極腐蝕，更無法適應(yīng)硫正極在充放電過程中巨大的體積膨脹與收縮。此外，該高粘度體系還展現(xiàn)出了非凡的商業(yè)應(yīng)用潛力。在匹配超高面載量（10 mg cm?2）的三維碳氈正極、超薄多孔支撐膜（37 μm厚的電解質(zhì)層）以及50 μm超薄鋰箔的苛刻組裝條件下，所制備的軟包電池依然能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)100個循環(huán)。尤其值得一提的是，這一切卓越的性能都是在使用未經(jīng)任何昂貴界面改性的商業(yè)化裸鋰箔條件下實現(xiàn)的。

綜上所述，由高粘度聚合物電解質(zhì)主導(dǎo)的連續(xù)顆粒堆疊沉積模式，為攻克固態(tài)鋰金屬電池的固-固界面物理失效難題提供了一條行之有效的創(chuàng)新路徑。它不僅在室溫下實現(xiàn)了前所未有的高臨界電流密度，保障了極佳的全電池長循環(huán)壽命，還徹底規(guī)避了傳統(tǒng)剛性電解質(zhì)容易引發(fā)的機械形變與接觸丟失風(fēng)險。鑒于該類聚合物材料與多種金屬均具備極強的界面粘附特性，這一設(shè)計理念未來有望被廣泛推廣至鋅、鈉、鉀、鎂和鋁等其他高比能金屬負極體系中。

原文參考：Confining lithium in a continuous nucleation state for dendrite-free solid-state lithium metal batteries

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