樊征教授、姚彦教授， Nano Letters观点：理解银-碳中间层在薄片全固态锂金属电池中的化学机械功能

第一作者：吴超善, 本杰明

通讯作者：樊征*，姚彦*

单位：美国休斯顿大学

全固态锂金属阳极电池在高能量电池应用中具有巨大的潜力。然而，该技术面临一个主要挑战，即如何形成和维持锂阳极与固体电解质之间稳定的固-固接触。为解决这个问题，使用银-碳（Ag-C）中间层被认为是一种有前途的解决方案，但是需要全面探索该中间层的化学机械性质和对界面稳定性的影响。

本研究使用不同的电池结构来研究Ag-C中间层在解决界面稳定性挑战方面的功能。实验结果表明，该中间层可以改善界面的机械接触，导致均匀的电流分布并抑制锂树枝的生长。此外，该中间层还可以通过提高Li离子扩散性能来调节存在Ag颗粒的锂沉积。使用该中间层的带状电池具有高能量密度（514.3 Wh L^-1）和高循环稳定性（经过500次循环后平均库仑效率达到99.97%）。因此，本研究揭示了使用Ag-C中间层增强全固态电池性能的益处，为该技术的进一步发展提供了见解。

近日，来自休斯顿大学的樊征教授与姚彦教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Understanding the Chemo-Mechanical Function of Silver-Carbon Interlayer in Sheet-type All-Solid-State Lithium-Metal Batteries”的观点文章。该文章分析了Ag-C中间层在保持锂金属负极界面稳定方面的功能。

本研究使用浆料涂布法制备了固态电解质薄膜，并通过喷雾技术将Ag-C浆料喷涂在其一侧。Ag-C浆料是将纳米银颗粒、碳黑颗粒和HNBR混合而成的。使用喷涂技术作为大规模生产技术，规避了制备自由支撑薄膜和层压的需求。该方法具有解决固态电解质膜大规模生产中一些挑战的潜力，特别是可扩展性和均匀性。与丝网印刷相比，本研究中演示的喷涂法提供了更优异的均匀性，并且更灵活地控制了中间层的厚度。此外，采用喷涂技术可以显著减少废料，高效利用原材料制备活性薄膜。

制备固态电池时，确保锂金属与固态电解质的紧密接触仍然是一个挑战。适当的叠压压力对于形成良好的接触至关重要。如果接触不足，可能会在充放电过程中产生高局部电流密度，导致空隙的形成和锂枝晶的生长。最佳压力取决于电解质的厚度。假设在低叠压压力下，Ag-C中间层的优异可变形性将有助于改善Li-电解质界面接触。实验证明，使用Ag-C中间层后，对称电池的界面电阻降低了11倍。离子束切割观察表明，使用Ag-C中间层后，锂和固态电解质之间形成了紧密的接触。Ag-C中间层作为锂和LPSCl之间的机械缓冲层起到了关键作用。

在固态电池中，中间层添加的金属粒子会影响锂电极的沉积位置。为了解Ag在中间层中的作用，我们比较了两种中间层（Ag-C和C）的表现。尽管电压曲线只有微小差异，但SEM图像显示沉积锂位置显著不同。使用纯碳中间层时锂沉积在电解质和中间层之间，而当中间层中存在Ag时，锂沉积在期望位置即中间层和Li阳极之间。只要电解质中的Li通量不超过中间层的Li极限传输能力，Ag-C和纯碳中间层都可以实现锂金属沉积在期望位置即中间层和Li阳极之间。但是，基于我们的制备条件，只有Ag-C在较高电流密度下使得锂金属沉积在期望的位置。碳中间层的Li传输不足会导致在中间层和固态电解质之间沉积锂。

经过Ag-C中间层改进的全固态薄电解质锂金属负极电池，表现出卓越的比能量和能量密度，分别达到250.6 Wh kg^-1和514.3 Wh L^-1。同时，该电池还表现出优异的循环稳定性，经过500次循环后平均库仑效率超过99.97%。对Ag-C中间层的功能有了更深入的理解，使得在薄片全固态电池中使用锂金属阳极成为可能，为高能量密度固态电池的商业化提供了奠定基础。

Understanding the Chemo-Mechanical Function of Silver-Carbon Interlayer in Sheet-type All-Solid-State Lithium-Metal Batteries

2018年加入休斯顿大学，现为工程技术系助理教授。长期从事储能材料以及先进检测仪器的研究和开发。在Advanced Materials, Joule, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Nano Letters, Carbon, Nanoscale等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文40余篇。

吴超善，2010和2013年于浙江工业大学分别本科和硕士毕业，现为休斯敦大学Cullen工程学院在读博士研究生，导师为樊征教授和姚彦教授。研究方向主要围绕全固态锂金属电池的制备工艺，界面修饰和原位表征，在ACS Energy Letters，Nano energy，Nano Letters， Materials Today Physics等国际知名期刊上发表SCI 论文6篇。

樊征教授课题组长期招收博士研究生以及博士后研究员，有储能材料合成与器件制备（固态电池、锂硫电池），以及电化学储能相关工作经验者优先考虑。