【复材资讯】大连理工大学杰青贺高红/齐新鸿AFM：银纳米线修饰准固态电解质原位构建互锁界面实现锂均匀沉积
【研究背景】
固态锂金属电池（SSLMB）结合固态电解质与锂金属负极（LMA）可实现高能量密度和高安全性。然而，锂枝晶生长是SSLMB实际应用的关键瓶颈。非均匀锂成核和尖端效应诱导的不均匀电势分布是主要原因。固体聚合物电解质（SPEs）因其柔韧性和低成本受到关注，但离子电导率较低。引入液体塑化剂形成准固态电解质（QSPEs）可提高离子电导率，但会降低电解质机械强度大强度，难以抑制锂枝晶生长。
【研究介绍】
近日，大连理工大学贺高红、齐新鸿课题组，通过在准固态电解质表面构筑银纳米线修饰层与锂金属负极原位形成互锁界面，Li-Ag合金降低成核势垒，导电子Ag分散聚集电荷实现了锂的均匀沉积，有效解决了锂枝晶生长问题，实现Li||Li对称电池在0.2 mA·cm-2电流密度下实现了600小时的稳定循环，LFP||Li电池在1 C倍率下循环850圈后容量保持率达95%，NCM811||Li电池在0.5 C倍率下循环800圈后容量保持率达83%。该研究成果以“In situ Interlock Interface through Facial Makeup of Quasi-Solid Electrolyte with Silver Gauze Enabling Uniform Lithium Nucleation and Tip Potential Distribution”为题发表在Advanced Functional Materials，贺高红、齐新鸿为论文通讯作者，李易杭为论文第一作者。
【核心内容】
锂枝晶生长在热力学和动力学上均属有利行为。在固态锂金属电池充电过程中，锂离子首先在锂金属负极表面形成晶核，由此产生的"尖端效应"导致电荷在晶核周围累积。随后，由于准固态电解质机械强度较弱且与高活性液态增塑剂存在界面副反应，锂沿着尖端向电解质内部沉积。随着沉积加剧，尖端周围电势降低，这种非均匀电势分布作为驱动力，促使锂离子持续向凸起处扩散并沉积。因此，锂枝晶生长是由锂金属负极表面不均匀的锂成核、电势分布以及准固态电解质中锂离子扩散共同导致。鉴于锂金属负极与准固态电解质直接接触，利用该界面原位构筑互锁界面，有望引导均匀的锂成核与尖端电势分布，进而实现锂离子的均匀扩散与沉积。
【研究内容】
本研究采用同步静电纺丝-静电喷雾技术，在纳米纤维膜表面修饰Ag纳米线层，结合原位聚合制备准固态电解质（PPAIA）。PPAIA中的Ag纳米线与锂金属负极直接接触后原位生成Li-Ag合金，作为亲锂性锂成核位点，通过降低成核过电位诱导均匀锂成核。同时，具有电子导电性的Ag，能够传导锂核尖端聚集的电荷，均匀化电势分布，进而引导锂离子均匀扩散与沉积。
图1. 原位构筑互锁界面引导锂均匀沉积的机理示意图。
通过LFP|PPAIA|Li电池的XRD测试，出现Li、Ag和Li-Ag合金特征峰，PPAIA中的Ag纳米线与锂金属负极直接接触后原位生成。较低的锂成核过电位表明含锂-银合金的互锁界面有效降低了成核能垒，促进了锂的均匀成核。飞行时间二次离子质谱表面与PPAIA匹配的锂金属负极上锂沉积呈现表面沉积较少、内部沉积较多的空间分布特征。原位形成的含Li-Ag合金互锁界面通过降低成核能垒，诱导了更均匀的成核位点，促进了锂在锂金属负极上的致密沉积。
图2. 原位构筑互锁界面Li-Ag合金降低成核能垒均匀锂成核。
原位构筑的含Ag纳米线互锁界面使PPAIA面向锂金属负极一侧具有电子导电性。含Ag纳米线的PPAIA能够分散晶核尖端累积的电荷，有助于实现锂金属负极表面的均匀电势分布。相比之下，与PPAI匹配的锂金属负极表面由于锂成核不均匀，导致电势分布不均，且凸起处的尖端效应进一步加剧了这种不均匀性。同时，PPAIA具有更大的锂离子扩散系数和交换电流密度（0.237 mA·cm-2），该原位形成的电子导电界面可转移晶核尖端累积的电荷，实现尖端电势的均匀化，进而从动力学角度促进均匀的电势分布与锂离子传输。
图3. 互锁界面导电子Ag均匀尖端电势并促进锂离子均匀传输。
Li|PPAIA|Li电池在600小时内保持稳定的沉积/剥离性能，且过电位较小。锂金属负极表面枝晶生长的有限元模拟进一步证实，采用PPAIA时锂在锂金属负极表面均匀沉积，而采用PPAI时则发生严重的锂枝晶生长。这种稳定性的提升归因于互锁界面的协同作用，Li-Ag合金降低了成核能垒，实现了均匀的初始锂成核；导电子Ag均匀了电场分布，加速了锂离子扩散，共同优化了锂的沉积/剥离行为。
图4. 锂对称电池性能及界面分析。
LFP|PPAIA|Li电池在1 C倍率下展现出较LFP|PPAI|Li电池更优异的长循环稳定性。LFP|PPAIA|Li电池的初始放电比容量为150 mAh·g-1，经850次循环后容量保持率仍达95%，且库仑效率始终接近100%。进一步将PPAIA与高压NCM811正极匹配，NCM811|PPAIA|Li电池在0.5 C倍率下循环800次后容量保持率达83%。此外， NCM811||Li软包电池即使在折叠和剪切测试后仍能持续点亮LED灯板。
图5. 电池性能。
【最终结论】
本研究通过准固态电解质单侧修饰Ag纳米线，实现了与锂金属负极直接接触的原位互锁界面构筑。该界面中Li-Ag合金作为亲锂性成核位点，通过降低成核过电位诱导均匀的锂成核，具有电子导电性的Ag导电网络，传导锂核尖端累积电荷，均匀化电势分布，引导锂离子均匀扩散与沉积。Li||Li对称电池在0.2 mA·cm-2电流密度下实现了600小时的稳定循环，LFP||Li电池在1 C倍率下循环850圈后容量保持率达95%，NCM811||Li电池在0.5 C倍率下循环800圈后容量保持率达83%。该策略充分利用准固态电解质自身特性解决锂枝晶生长问题，为下一代固态锂金属电池的设计提供了比传统锂金属负极改性及界面层添加更高效、实用的新思路。
原标题：《【复材资讯】大连理工大学杰青贺高红/齐新鸿AFM：银纳米线修饰准固态电解质原位构建互锁界面实现锂均匀沉积》