刘如熹教授，魏大华教授，胡淑芬教授， Nano Energy观点：藉由扩散界面实现无阳极全固态电池中锂的控制与利用

鉴于过量的锂掩盖全固态无阳极电池中容量衰减的真实性质，操作因素和主要表面力对于实现锂沉积的初始调节变得更加重要，这决定了随后的电池循环。外部压力在特定容量后提供均匀的锂沉积，并且在低容量沉积时无效，而此时锂不会发生蠕变变形。本文提出了一种在ASAFB中使用500奈米铟进行富锂中间层的原位锂形成方案， 展示了富锂中间相在提升性能方面的作用。 Li–In内部的高扩散速率可抑制空隙的积累，并使其在无外部电堆压力的恢复循环中实现更高的锂使用率。

近日，来自台湾大学的刘如熹教授與台北科技大学的魏大华教授及台湾师范大学的胡淑芬教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Spatially Controlled Lithium Utilization in Anode-Free All-Solid-State Batteries via Diffusive Interface”的观点文章。该观点文章分析以500 nm铟中间层实现均匀的锂沉积，以增强无阳极电池性能。由于Li–In金属间晶体相变而产生的内部压力，在Li⁺扩散过程中维持中间层的尺寸稳定性。透过Li-In中间层，无需引入过量的锂源或施加外部电堆压力，即可实现更高的锂使用率。

除金属间化合物 Li–In 的高电导率（~ 80 mS cm^–2）外，由于沉积过程中的浓度梯度较小（dc / dt ≈ 0）和界面处的 Li⁺通量高，因此可以发生均匀的Li⁰沉积。由于没有施加外部压力，电压平台一直保持稳定，直到负极处的层状 Li 界面消失。透过原位形成的 Li–In 中间相，Li⁺可以在无应力区域沉积，并且由通过的 Li 通量引起的应变率的稳定增加，进一步确保 Li–In 形成的稳定性而不会形成裂缝。

通过原位EIS探讨500 nm 铟中间层的Li⁺扩散与沉积行为：（i）固态电解质界面处的铟（Cu|In–LLZTO|LFP）、（ii）铜集流体与固态电解质上的铟（Cu–In|In–LLZTO）。尽管在 Cu-In 和 In-LLZTO 两个界面上形成 Li-In 需要额外的容量，但与沉积在 Cu 表面的 Li 相比，Li 的溶解度会增加，直接在 铜集流体上形成固溶体会降低 Li 0 的附着力，从而导致电池性能的快速容量下降。富集的 Li-In 中间层，其中Li⁰向 铜集流体扩散区域，在 Li 形成循环后，其在 LLZTO 界面处具有更致密的形貌。Li⁰在 Cu|Li 和 Li–in|Li 两个界面的空间分布有望提高无阳极电池的性能，因为快速的容量衰减可以透过Li ⁺在两个区域中的动态解离和扩散来调节。

尽管 Li-In 体离子扩散速率很高，但局部热点的去合金化会导致Li-In|LLZTO 界面处的Li⁺ 快速耗尽。电压偏移是由于Li-In 体结构中的 Li 含量变为 0.55 at.% 以下所致。这种电位突变可以调节为放电循环中锂耗尽的截止电位，然后导致铟处微孔积聚并增加电阻直至接触损失。鉴于锂浓度在 Li-In 中均匀分散，透过暂时停止或降低放电电流，Li⁺可以透过浓度梯度迁移到离子缺乏区域。 与 Li–In|LLZTO 相比，Li|LLZTO 中缺乏补充锂的中间相，这意味着 Li|LLZTO 中锂空隙的累积速率更高。

无阳极设计可以作为固态电池的典型例子进行探索，该电池可透过现有技术中消除锂金属制程而获益。本研究的结果强调了设计基于石榴石固态电解质的固态无阳极电池所面临的挑战。结果表明，可以透过原位锂固溶体中间层来调节锂阳极的内部压力，并且可以在不开发新的阳极主体材料或非原位制备锂界面的情况下最大限度地减少锂在集流体上的累积。透过薄锂合金铟中间层建立尺寸稳定的介面，可以实现新的充电程式条件，从而减少未循环的锂并提高效能效率。锂的空间分布与锂铟中间层的扩散特性结合，可提高无阳极电池的性能。利用树枝状锂结构的不稳定性及其在固溶体内部的生长优势，本研究中的方法可以扩展到进一步增强铟三元结构的电子/离子中间层，从而提高电池循环的电流密度。

刘如熹教授简介：

Behrouz Bazri 于 2018 年获得阿米尔卡比尔理工大学（德黑兰理工学院）博士学位。他目前是台湾国立台北科技大学制造技术研究所的研究助理教授。研究方向为能源转换材料与电化学。

本课题组之发展策略为应用导向之基础学术研究，主要以材料化学核心技术（配方与合成、分析与应用）为基础，发展各种绿能相关材料，其可应用于光转换为光、电与热，将分别应用于发光二极管、水分解与生医热疗。实验室之发展方针为科技管理导向之标准化。组织分为二组，分别为荧光纳米生化组及能源组。各组设组长及副组长，主要掌管行政相关事务。其中各组依课题不同，分有次组（sub-group），亦设有次组组长，主要掌管成员之科研进度。每周各组由组长或次组组长带领讨论他人已发表之文章、个人研究进度报告及仪器原理介绍，此将奠定彼此合作之研究默契。此外整体研究透过周报、月报、季报及半年度考核制度，使成员均能准时完成其学业，并达“ 学习时间与知识管理及材料化学核心技术使成为优秀科技人才” 之愿景（vision） 。