山东大学王儒涛教授 ACS Nano：通过提高锂金属体相锂扩散动力学实现全固态锂金属电池稳定循环

第一作者：张树贤

通讯作者：王儒涛*

单位：山东大学

使用锂金属负极和不易燃固态电解质（SSE）的全固态电池（ASSB）有望成为实现高能量密度和高安全性的下一代储能技术之一。然而，由于锂枝晶生长的问题导致全固态电池难以在高电流密度下工作。在高电流密度下工作时，锂离子从Li/SSE界面上迁移至正极的速率高于锂原子在锂金属内部的扩散速率，导致Li/SSE界面处空隙的产生，进而增加电池内阻和诱导锂枝晶的形成。

近日，来自山东大学的王儒涛教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Robust All-Solid-State Lithium Metal Batteries Enabled by a Composite Lithium Anode with lmproved Bulk Li Diffusion Kinetics Properties”的文章。在这篇文章中，作者通过向在熔融锂金属中加入Ag₂O，制备了一种由Li-Ag合金和Li₂O组成的复合锂阳极（LAO）。Li-Ag合金可作为导电网络，确保LAO内电子的快速传输，并增强体相锂扩散。Li₂O作为SEI层中的常见成分，可以传导Li⁺，以弥补高锂含量时Li-Ag 合金扩散速率的不足。

通过EIS和Tafel测试发现，与纯锂金属相比，LAO电极界面处Li⁺扩散动力学更高，其交换电流密度i0为0.68 mAcm^-2。通过临界电流密度（CCD）测试，LAO电极临界电流密度为1.5 mA cm^-2，而锂金属电极的临界电流密度仅为0.4 mA cm^-2。

在不同电流密度（0.2, 0.5和1 mA cm^-2）和循环容量（0.2和0.5 mAh cm^-2）的测试条件下，LAO电极对称电池均能保持良好的稳定性。通过Li/SSE和LAO/SSE界面的截面SEM图像研究了循环后界面接触，在Li/SSE界面上能明显发现空隙的形成。相比之下，LAO/SSE界面接触紧密，没有空隙和锂枝晶的形成。以上结果表明，通过提高锂金属体相锂扩散动力学可以有效缓解界面空隙的形成。

为了研究锂剥离过程中LAO/SSE界面演变过程，进行了原位电化学阻抗（GEIS）和弛豫时间分布（DRT）分析。在不同电流密度（1, 2, 5和10 mA cm^-2）下，LAO阳极均可以比锂金属负极提供更多的容量，这是因为LAO阳极中锂原子/离子可以通过部分脱锂的Li-Ag合金和Li₂O从电极体相转移到界面处，而在锂金属负极中锂原子无法通过空隙传输。

使用硫银锗矿型电解质（Li6PS5Cl），钴酸锂（LCO）作为正极组装了全电池，使用LAO阳极的全固态电池表现出优异的倍率性能（5 C时51.1 mAh g^-1），长期循环稳定性（5 C条件下，循环4000次后容量保持率为89.7%）。即使在高负载量条件下（17.8 mg cm^-2），使用LAO阳极的全固态电池仍能稳定循环100次。

“Robust All-Solid-State Lithium Metal Batteries Enabled by a Composite Lithium Anode with Improved Bulk Li Diffusion Kinetics Properties”

王儒涛 教授简介：山东大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，山东大学齐鲁青年学者，主要从事全固态电池、超级电容器及关键材料的基础研发工作。相关研究工作发表 SCI 论文七十余篇，其中第一或通讯作者在 Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Energy Mater. （2 篇）、Adv. Funct. Mater. （3 篇）、Nano Energy（2 篇） 、 Energy Stor. Mater. （2 篇）、ACS Nano等国际著名期刊发表 SCI论文 30余篇。研究论文得到国内外同行在 Nat. Rev. Mater.、Chem. Rev.、Adv. Mater.等期刊引用和评价，他引 4700 余次，18 篇论文引用超过100 次，EIS 高被引论文 4 篇，H-index 为 33。授权中国专利 5 项。参与撰写 Wiley出版《Advances in Energy Storage》书籍 1 章节。主持了国家自然科学基金青年（51902188）/面上项目（52272224）以及山东大学齐鲁青年人才基金项目等。获得甘肃省自然科学一等奖（排名第四，2020）、甘肃省高校科技进步一等奖（排名第五，2014）。申请人现为《Nano-Micro Letters》、《稀有金属》杂志（中国科学技术协会）和APL Energy杂志（美国物理联合会出版社）青年编委。

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