在此，美国马里兰大学王春生教授等人在正极侧采用不同重量比的Bi和Mg粉体球磨法合成了不同成分的Mg-Bi合金（MgxBi84；x=0、2、8、16、24）。由于Mg16Bi84使Li6PS5Cl在1.9 mA cm-2和1.9 mAh cm-2下达到最高的临界电流密度（CCD），选择它来研究Li沉积/剥离活化过程中的Mg迁移过程。Mg16Bi84负极夹层的优点包括：LiMgSx SEI的形成保护了Li6PS5Cl免受还原，并将Li6PS5Cl电解质与Li3Bi层紧密接触；同时，Mg向锂负极的迁移将Li3Bi层粘结到锂负极，在高容量容量时在多孔Li3Bi层的孔中沉积，有效地缓解Li沉积/剥离过程中的应力变化，降低了堆积压力；Li3Bi/Li6PS5Cl界面的高电位（约0.7 V）进一步稳定了Li6PS5Cl电解质，加速了Mg的迁移。更加重要的一点是，Li3Bi的高离子/电子电导率确保了Li沉积在Li3Bi/Li界面上，而不是在Li3Bi/Li6PS5Cl界面上。
在正极侧，作者使用一种富氟（F）的界面层，其中F阴离子能够在4.3V时从NMC811表面层迁移到NMC811体相中，从而使得表明涂覆转化为F掺杂，最终使得NMC811从表面到体相的材料稳定性得到大幅度提高，即使在2.5 MPa的低堆叠压力下也能实现极其优异的性能。
相关研究成果以“Interface design for all-solid-state lithium batteries”为题发表在Nature上。
1.本文负极使用Mg16Bi84中间层作为界面包覆层，锂沉积/剥离过程中形成的LiMgSx SEI保护了Li6PS5Cl免受还原，并将Li6PS5Cl电解质与Li3Bi层紧密接触；
2.本文正极使用一种富氟（F）的界面层，其中F阴离子能够在4.3V时从NMC811表面层迁移到NMC811体相中，从而使得表明涂覆转化为F掺杂，最终使得NMC811从表面到体相的材料稳定性得到大幅度提高。
图1 Mg16Bi84向LiMgSx/Li3Bi/LiMg原位转化的设计原理© 2023 Springer Nature
图2 Li/Mg16Bi84-Li6PS5Cl-Mg16Bi84/Li对称电池的电化学性能© 2023 Springer Nature
图3 全电池电化学性能测试© 2023 Springer Nature
综上所述，本文设计和开发了一种兼具正极和负极的界面层，共同提高全固态锂金属电池性能。其中在Li/Li6PS5Cl界面上设计了Mg16Bi84层抑制Li枝晶的生长，在NMC811正极上设计了富F层以降低电池界面电阻。同时，通过锂沉积-剥离过程，Mg16Bi84转换为多功能LiMgSx-Li3Bi-LiMg结构层作为固体电解质中间相，而NMC811正极在4.3 V的高电位下F阴离子电化学迁移到NMC811体相中，使得富F界面的NMC811转化为掺杂F的NMC811正极，双重作用实现了具有商业化前景的全固态锂金属电池。
文献链接：“Interface design for all-solid-state lithium batteries”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06653-w）
本文由CYM供稿。
