孙学良院士＆莫一非Nature Nanotechnology

研究概述

全固态锂金属电池的进步需要在固态电解质（SSE）方面取得突破，以抑制在高电流密度和高容量（>3 mAh cm⁻²）下的锂枝晶生长，并在晶体结构、离子电导率和刚性等方面实现创新。

基于此，2024年11月25日，加拿大西安大略大学孙学良院士团队、Tsun-Kong Sham院士、马里兰大学莫一非教授以及美国橡树岭国家实验室刘珏在国际顶级期刊 Nature Nanotechnology 上发表了以《Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries》为题的研究论文。

在本研究中，研究团队开发了一种具有超高离子电导率、高锂兼容性和空气稳定的富含空位的β-Li₃N固态电解质。

这种富含空位的β-Li₃N固态电解质在25°C下的离子电导率为2.14 × 10⁻³ S cm⁻¹，超过了几乎所有已报道的氮化物基固态电解质

并揭示了一种由Li和N空位介导的快速锂离子迁移机制，该机制涉及空位触发的活化能降低和移动锂离子数量增加。

利用富含空位的β-Li₃N的全固态锂对称电池在高临界电流密度（高达45 mA cm⁻²）和高容量（高达7.5 mAh cm⁻²）方面取得了突破，并在2,000次循环中实现了超稳定的锂剥离和沉积过程。

富含空位的β-Li₃N的高锂兼容性机制被揭示为对锂金属的内在稳定性

此外，β-Li₃N通过形成保护表面具有优异的空气稳定性。

使用富含空位的β-Li₃N作为固态电解质层和锂钴氧化物（LCO）及富镍LiNi₀.₈₃Co₀.₁₁Mn₀.₀₆O₂（NCM83）正极的全固态锂金属电池表现出优异的电池性能。

对于LCO，在1.0 C下5,000次循环后，容量保持率为82.05%，容量为95.2 mAh g⁻¹；对于NCM83，在1.0 C下3,500次循环后，容量保持率为92.5%，容量为153.6 mAh g⁻¹，展示了极其稳定的循环性能。

使用富含空位的β-Li₃N固态电解质和NCM83正极，全固态锂金属电池成功实现了高达5.0 C的温和快速充放电速率，保留了60.47%的容量。

值得注意的是，这些电池表现出高的面容量，紧凑型颗粒电池约为5.0 mAh cm⁻²，全固态锂金属软包电池约为2.2 mAh cm⁻²。

图文解读

图1：晶体结构和锂离子扩散性能。

图2：空位介导的超离子扩散特征。

图3: 锂金属和空气的化学稳定性。

图4: 全固态锂对称电池性能

图5: 全固态锂金属电池性能（LCO正极）

图6: 全固态锂金属电池性能（NCM83正极）。

文献信息

Li, W., Li, M., Wang, S. et al. Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2024).