​孙学良/王建涛等AFM：基于富锂合金负极的高能量密度全固态锂金属电池

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​孙学良/王建涛等AFM：基于富锂合金负极的高能量密度全固态锂金属电池
采用固态聚合物电解质（SPE）的全固态锂电池（ASSLB）被认为是有前途的电池系统，可实现更高的安全性和能量密度。然而，在高电流密度/容量下，锂负极上锂枝晶的形成限制了其发展。为了解决这个问题，研究人员提出了锂金属合金化作为抑制ASSLB中锂枝晶生长的替代策略。合金化的一个缺点是与纯锂负极电池相比电池工作电压相对较低，这将不可避免地降低能量密度。
​孙学良/王建涛等AFM：基于富锂合金负极的高能量密度全固态锂金属电池
在此，加拿大西安大略大学孙学良院士、多伦多大学Chandra Veer Singh教授及国联汽车动力电池研究院王建涛等人提出了一种富锂Li13In3合金（LiRLIA）电极，以实现高能量密度的ASSLB。具体而言，本工作中的LiRLIA电极是通过将LiRLIA注入采用冷冻干燥法构建的垂直排列ZnO@CNT模板中制得的。在充放电过程中，Li-In合金（Li13In3）充当容纳Li的3D支架并减轻体积变化，而残留的Li充当Li源并在负极和正极之间传输。
得益于Li在Li13In3基底上更强的吸附能和更低的扩散能垒，Li更倾向于选择性且平稳地沉积在3D Li13In3支架中，从而避免了Li枝晶的生长。更重要的是，3D Li13In3支架中残留的Li将Li-In合金的电位恢复到Li的水平，从而实现更高的能量密度输出。
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图1. LiRLIA的锂剥离/电镀过程
因此，使用LiRLIA电极的对称电池可在0.5 mA cm-2/1mAh cm-2的电流密度/容量下稳定运行超过6800小时。即使在5 mA cm-2和5 mAh cm-2的高电流密度和面容量下，对称电池仍可运行约1000小时而不会出现过电位衰减，这比大多数以前的基于SPE的电池高出一个数量级以上。同时，LiRLIA负极强大的抗锂枝晶特性使LFP|SPE|LiRLIA全电池具有出色的倍率性能和循环性能。即使在10 C的高倍率下，电池也能提供约100 mAh g-1的高比容量。
此外，电池以5 C的高倍率循环2000次后仍保持125 mAh g-1的高放电容量，表现出突出的长循环寿命能力。总之，这项工作为使用锂金属合金负极实现高能量/功率密度的ASSLBs提供了重要指导。
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图2. LFP|SPE|LiRLIA、LFP|SPE|Li电池性能对比
Fast Ion Transport in Li-Rich Alloy Anode for High-Energy-Density All Solid-State Lithium Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209715

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