锂电又发Nature，哈佛大学攻克锂枝晶难题！

金属锂因具有高的容量和能量密度，而被认为是锂离子电池中最理想的负极材料，而单晶LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC811)则被认为是下一代的正极材料。NMC811正极与锂金属负极的电池稳定循环对于移动设备、特别是电动汽车具有重要意义。然而，这种电池的稳定性都很差。尽管有些具有高机械强度的固态电解质可以抑制锂(Li)枝晶的穿透。但是在实际应用中，以锂金属作为电池的负极仍然具有很大的挑战性，因为在电池组装或长时间循环过程中，陶瓷芯中经常会产生微米或亚微米大小的裂纹。一旦裂纹形成，锂枝晶穿透问题是不可避免的。

有鉴于此，哈佛大学Li Xin团队设计了一种具有界面稳定性的、多层结构（对锂金属响应）的固态电池，以实现超高电流密度而无锂枝晶穿透。该多层设计具有一种不太稳定的电解质结构，该结构夹在两种更稳定的固态电解质之间，这样通过良好的局部分解，可以在不稳定的电解质层中阻止锂枝晶的生长。研究人员并且提出了一种类似于膨胀螺丝效应的机理：其中，任何裂纹都由动态生成的分解所填充满，而且这些分解也受到很好的约束。

最终，锂金属负极与NMC811正极配对电池的循环性能非常稳定，在20 C的倍率下（8.6毫安/平方厘米）循环10,000次后，容量保持率高达82％；而以1.5C的倍率（0.64毫安/平方厘米）进行2,000次循环后，容量保持率为81.3％。该设计还可以在微米级的负极材料中实现110.6千瓦/千克的比功率和高达631.1瓦时/千克的比能量。

相关结果以“A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries”于2021年5月13日发表在Nature期刊上。

为了解决锂枝晶穿透问题，研究人员设计了以锂金属作为负极的对称电池，电池中的多层结构顺序为：石墨，Li_5.5PS_4.5Cl_1.5(LPSCl)，Li₁₀Ge₁P₂S₁₂(LGPS)，LPSCl，石墨。

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图1. 多层设计的对称电池具有优异的循环性能

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图2. 循环后固体电解质的结构，化学和形貌

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图3. 多层设计的固态电池的循环性能

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图4. 多层设计的多功能性，比功率和能量

Ye, L., Li, X. A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries. Nature 593, 218–222 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3

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