Nature子刊：全固态锂离子电池多相微观结构铝箔负极

为了满足远程电动汽车和电动飞行的需求，下一代电池必须具有更高的能量密度和更高的安全性。固态电池（SSB）可以使用新型高容量电极材料，同时避免使用易燃液态电解质。锂金属负极因其低电极电势和高理论容量（3861 mAh g⁻¹）而被广泛研究用于SSB。然而，事实证明，与界面不稳定性和锂枝晶渗透导致短路相关的挑战极难解决。

在此，美国佐治亚理工学院MatthewT.McDowell团队报告了在全固态锂离子电池配置中使用具有微结构的非预锂化铝箔负极。当30μm厚的Al_94.5In_5.5负极与Li₆PS₅Cl固态电解质和LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂基正极组装的电池可提供数百个稳定的循环。

该工作还证明了，由于铝基体中分布有LiIn网络，多相Al-In微观结构能够改善倍率性能并增强可逆性。这些性能的提高得益于分布式LiIn相以最小的过电位促进了铝的（脱）锂化反应，以及高锂离子扩散率的LiIn相减轻了锂捕获。

图1. 铝基电极在各种电池配置中的电化学性能

总之，该研究结果表明，固态结构以及负极微结构对于实现稳定的全固态二次锂电池具有明显的优势。致密的铝基负极在固态电池的锂化和脱锂过程中保持紧凑，避免了在使用非水电解质溶液的电池形成大量的SEI，从而限制了电池的性能。

由于分布式高扩散性LiIn相能够使Li与Al在较大的界面面积上发生反应，从而提高速率性能，同时还能最大限度地减少脱锂过程中的锂捕获。因此，SSB循环性能可通过添加少量合金元素得到改善。

此外，铝箔合金电极还提供了将一种结构同时用作离子存储电极和电流收集器的可能性。预计未来在优化合金成分和微观结构、确定铟以外的其他元素添加效果以及了解材料演变方面的努力将进一步提高性能。

图2. SSBs中Al_94.5In_5.5和铝箔在不同循环阶段的非原位低温FIB-SEM测量

Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-39685-x

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Nature子刊：全固态锂离子电池多相微观结构铝箔负极

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