破解卤化物电解质锂金属稳定性难题--王春生教授团队Advaced Materials发表界面设计新突破- 大数跨境

首页

破解卤化物电解质锂金属稳定性难题--王春生教授团队Advaced Materials发表界面设计新突破

科学材料站

2025-05-18

导读：破解卤化物电解质锂金属稳定性难题--王春生教授团队Advaced Materials发表界面设计新突破

科学材料站

文章信息

界面设计实现卤化物固态电解质与锂金属的界面稳定

第一作者：王则宜

通讯作者：王春生*

单位：美国马里兰大学

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠正品保证科研必备！

科学材料站

研究背景

全固态锂金属电池（ASSLMBs）凭借其高安全性和能量密度，被视为电动汽车领域突破性技术。然而，固态电解质作为核心材料，其界面稳定性问题长期制约发展。硫化物电解质（如Li6PS5Cl）虽具备高离子电导率，但其电化学窗口狭窄（1.7-2.1 V），难以兼容高压正极，且与锂金属反应生成低离子导电的界面层（SEI），引发锂枝晶和持续副反应。相比之下，卤化物电解质（如Li₃YCl₆、Li₃YbCl₆）展现出更宽氧化稳定性（>4.1 V），但其与锂金属的界面兼容性极差：两者接触后形成混合电子-离子导电界面（MEICI），导致界面电阻激增、锂枝晶穿透，临界电流密度（CCD）近乎为零，严重阻碍实用化进程。

科学材料站

文章简介

近日，马里兰大学王春生教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“Interlayer Design for Halide Electrolytes in All-Solid-State Lithium Metal Batteries”的研究论文。团队通过设计新型卤化物电解质Li₃YbCl₆/Li₃LuCl₆与磷碘复合中间层（PI3），成功解决卤化物电解质与锂金属的界面兼容性难题，实现了高临界电流密度（1.0 mA cm⁻²）和长循环稳定性（400次循环容量保持86.5%），为高能量密度全固态电池开辟新路径。

图1. 卤化物电解质抑制锂枝晶策略 (a) Li₃YCl₆电解质：锂负极界面生成高电子导、低离子导的Y金属/LiCl混合层，引发持续降解；(b) Li₃YbCl₆电解质：生成低电子导的YbCl₂/LiCl界面，但仍因低离子导引发锂枝晶；(c) PI3涂层Li₃YbCl₆：PI₃还原为高离子导Li₆PI₃，构建电子绝缘界面，阻断枝晶生长。

科学材料站

本文要点

要点一：新型卤化物电解质的动力学稳定机制

传统卤化物电解质（如Li₃YCl₆）与锂接触后生成含金属单质（如Y⁰）的电子导电界面，导致持续腐蚀。团队开发的Li₃YbCl₆/Li₃LuCl₆通过表面生成电子绝缘的YbCl₂/LuClx层（禁带宽度4.96 eV），实现自限性界面反应，阻断电子传输（图2）。然而，其SEI中低离子导的LiCl仍导致高界面电阻（833 Ω）和锂枝晶生长。

图2. 卤化物电解质的锂金属稳定性 (a) 卤化物电解质还原电位；(b-c) Li对电解质的腐蚀电位动态监测，Li₃YbCl₆/Li₃LuCl₆腐蚀电位趋近0 V；(d) Li接触后Li₃YbCl₆表面YbCl₂的XPS表征；(e) YbCl₂的电子态密度（禁带宽度4.96 eV）；(f) Li₃LuCl₆表面LuClx的XPS分析。

要点二：临界过电位准则（CIOP）驱动界面设计

团队提出临界界面过电位（CIOP）作为锂枝晶抑制的核心指标（图3）。通过分析25种涂层材料的SEI组分与CIOP关系，发现Li₃P（120 mV）和LiI（62 mV）等SEI兼具高CIOP材料和高离子导（如Li₃P：1.4×10⁻⁴ S cm⁻¹）。基于此，团队设计出PI3中间层，其接触锂后转化为Li₆PI₃（离子导6.2×10⁻⁴ S cm⁻¹，电子导3.6×10⁻⁹ S cm⁻¹）,可显著抑制枝晶。

图3. SEI组分与CIOP的关联模型 (a-b) 25种涂层材料筛选与Li//Li电池组装；(c-d) 恒流循环与EIS数据提取CIOP；(e-f) 涂层组分与CIOP关系建模；(g) 关键SEI组分的CIOP与离子导对比。

要点三：磷碘中间层的协同效应

PI3涂层（图4）使Li₃LuCl₆电解质的CCD提升至1.0 mA cm^-2（图5），与硫化物电解质相当，但氧化稳定性提升至4.3 V。Li//Li对称电池在0.5 mA cm⁻²下稳定循环400小时（图5），Li//LiCoO₂全电池循环220次后容量保持86.5%（图6）。NCA正极在4 oC下实现200.8 mAh g^-1高容量（图6），优于传统卤化物体系。

图4. PI3衍生界面的特性 (a) 循环后PI3涂层表面XPS显示Li₆PI₃生成；(b) Li₆PI₃晶体结构（类Li4I4框架）；(c) Li₆PI₃离子导达6.2×10^-4 S cm^-1（优于LiI/Li3P）；(d) 超低电子导（3.6×10^-9 S cm^-1）抑制副反应。

图5. 涂层电解质抑制锂枝晶性能 (a-b) PI3涂层使Li₃YbCl₆界面电阻从833 Ω降至99 Ω；(c) Li//Li对称电池稳定循环200小时（0.2 mA cm⁻²）；(d-e) Li₃LuCl₆@PI3实现CCD=1.0 mA cm^-2；(f) 0.5 mA cm^-2下400小时无短路。

图6. 全电池性能验证 (a-b) LiCoO₂//Li₃LuCl₆@PI3//Li电池（30 oC）：首圈容量140.6 mAh g^-1，220周容量保持86.5%；(c-d) NCA正极（45 oC）：1.3 mAh cm^-2负载下循环75周容量保持84.7%。

要点四：普适性界面设计策略

该中间层设计可推广至其他卤化物电解质（如Li₃YCl₆），通过调控SEI组分（如P/I比例）平衡离子导与CIOP（图7）。此项研究通过“电解质改性+界面工程”双策略，为高安全、高能量密度全固态电池的商业化迈出关键一步。

图7. P2I4涂层量对Li/卤化物电解质/Li电池循环性能的影响。

科学材料站

文章链接

Interlayer Design for Halide Electrolytes in All-Solid-State Lithium Metal Batteries”

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501838

科学材料站

通讯作者简介

王春生教授：1996年博士毕业于浙江大学，现为美国马里兰大学杰出大学教授，Robert Franklin and Frances Riggs Wright杰出讲座教授，马里兰大学-美国陆军实验室极端电池联合研究中心（CREB）创始人，马里兰大学CREB研究中心主任，WH Power联合创始人。在Nature、Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Sustainability、Nature Communication、Adv. Mater.、Joule等国际一流学术期刊上发表SCI论文300篇，被他引86000余次，其中H-index为158。自2018年以来为科睿唯安（Clarivate）全球高被引学者。2015年和2021年两次获得马里兰大学年度最佳发明奖。2023年获得电化学学会会士。2025年获马里兰大学授予终身教职教师的最高荣誉，杰出大学教授奖。