臨界電流密度 (CCD) 可用于評(píng)估固態(tài)電解質(zhì) (SSE) 的鋰枝晶抑制能力。然而，CCD 值隨工程參數(shù)的不同而不同，從而導(dǎo)致同一SSE下的CCD值偏差較大。

在此，馬里蘭大學(xué)王春生教授團(tuán)隊(duì)將臨界相間過(guò)電位(CIOP)作為全固態(tài)鋰電池設(shè)計(jì)的鋰枝晶抑制標(biāo)準(zhǔn)。作者提出引入CIOP來(lái)評(píng)估界面抑制鋰枝晶在Li/SSE處進(jìn)入界面的能力并設(shè)計(jì)了一個(gè)混合導(dǎo)電的Li₂NH-Mg中間層提升固態(tài)電解質(zhì)對(duì)鋰枝晶的抑制能力。

當(dāng)AIOP等于或大于CIOP時(shí)，鋰枝晶開(kāi)始滲透SEI，隨著AIOP的進(jìn)一步增加，電流密度將增加，Li枝晶進(jìn)一步生長(zhǎng)通過(guò)相間并滲透到SSE中。因此，CIOP提供了Li枝晶開(kāi)始滲透到界面所需的過(guò)電位，這取決于界面的本征性質(zhì)。

圖1. CIOP的定義、設(shè)計(jì)原理和無(wú)鋰枝晶中間層的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)高鋰枝晶抑制能力，施加的AIOP應(yīng)較低而SEI（或相間）的CIOP應(yīng)較高。作者使用CIOP評(píng)估了包含Li₂NH-Mg中間層的Li/SSE界面處SEI的鋰枝晶抑制能力。

研究結(jié)果顯示Li₂NH-Mg夾層使Li6PS5Cl電解質(zhì)在25°C下實(shí)現(xiàn)222.9mV的高CIOP和5.5mAcm^?2/ 5.5mAh cm^?2的CCD以及在60°C高達(dá)7.0 mA cm^?2 /7.0mAhcm^?2的穩(wěn)定循環(huán)。

采用NMC622正極的全固態(tài)鋰電池在25°C和2.5MPa的低堆壓下以0.76 mA cm^?2的電流密度循環(huán)100次后可保持1.9 mAh cm^?2的高可逆容量。因此，本工作提出的CIOP可為高能和室溫全固態(tài)鋰金屬電池提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖2. 在Li-1.0 wt% La和Li6PS5Cl之間插入Li₂NH-Mg層的Li₆PS₅Cl電解質(zhì)的CIOP和CCD

Critical interphase overpotential as a lithium dendrite-suppression criterion for all-solid-state lithium battery design，Nature Energy 2023 DOI: 10.1038/s41560-023-01231-w