固态锂金属电池，循环＞5000次！孙学良院士＆莫一非，重磅Nature Nanotechnology！

在本研究中，研究团队开发了一种具有超高离子电导率、高锂兼容性和空气稳定的富含空位的β-Li₃N固态电解质。

这种富含空位的β-Li₃N固态电解质在25°C下的离子电导率为2.14 × 10⁻³ S cm⁻¹，超过了几乎所有已报道的氮化物基固态电解质

并揭示了一种由Li和N空位介导的快速锂离子迁移机制，该机制涉及空位触发的活化能降低和移动锂离子数量增加。

利用富含空位的β-Li₃N的全固态锂对称电池在高临界电流密度（高达45 mA cm⁻²）和高容量（高达7.5 mAh cm⁻²）方面取得了突破，并在2,000次循环中实现了超稳定的锂剥离和沉积过程。

富含空位的β-Li₃N的高锂兼容性机制被揭示为对锂金属的内在稳定性

此外，β-Li₃N通过形成保护表面具有优异的空气稳定性。

使用富含空位的β-Li₃N作为固态电解质层和锂钴氧化物（LCO）及富镍LiNi₀.₈₃Co₀.₁₁Mn₀.₀₆O₂（NCM83）正极的全固态锂金属电池表现出优异的电池性能。

对于LCO，在1.0 C下5,000次循环后，容量保持率为82.05%，容量为95.2 mAh g⁻¹；对于NCM83，在1.0 C下3,500次循环后，容量保持率为92.5%，容量为153.6 mAh g⁻¹，展示了极其稳定的循环性能。

使用富含空位的β-Li₃N固态电解质和NCM83正极，全固态锂金属电池成功实现了高达5.0 C的温和快速充放电速率，保留了60.47%的容量。

值得注意的是，这些电池表现出高的面容量，紧凑型颗粒电池约为5.0 mAh cm⁻²，全固态锂金属软包电池约为2.2 mAh cm⁻²。

图4: 全固态锂对称电池性能

图5: 全固态锂金属电池性能（LCO正极）

图6: 全固态锂金属电池性能（NCM83正极）。

Li, W., Li, M., Wang, S. et al. Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2024).