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北大发布新研究：智能手机锂电池有望更小更耐用

让手机锂电池具备高而稳定的储能密度，是提升电池使用性能的关键。 近日，北京大学深圳研究生院新材料学院教授潘锋团队研发了一种锂电池钴酸锂正极材料，让电池储能密度首次接近理论极限。未来，智能手机锂电池的体积将更小，使用时间将更长。

“手机使用的锂电池正极材料通常是钴酸锂层状氧化物，它的可逆比容量理论上能达到274毫安时每克。这个数值越高，代表电池的储能能力越强，能在相同条件下使用更长时间。”潘锋说，但实际情况是，在钴酸锂的层状结构中，只有50%至60%的锂能可以在充放电过程中被充分利用，对应获得的可逆比容量只有140至165毫安时每克。

为了接近理想的锂电池利用率，团队创新性地设计了一种梯度无序结构的钴酸锂正极材料——具备界面阻抗低、有效电压高等特点，表现出对化学机械应变的强大抵抗力，最大限度减少了界面副反应的发生，减轻了材料在高电压下的不可逆相变。

这些改进将锂电池利用率提高至93%，可逆比容量达256毫安时每克，首次实现了储能密度接近理论极限。

潘锋说，该材料还表现出超越现有高电压钴酸锂材料的高循环稳定性，这些优异的性能正好和需要高能量、高功率的无人机电池相适配。

研究成果近日发表于国际顶级能源期刊《先进材料》上。目前，团队正在推进新材料的产业化，进一步开发实用、高性能的新型锂电池正极材料。

新型固态锂电池面世，兼具快充能力，有望用于手机和汽车等

研究人员发现，尽管全固态锂金属电池有望实现较高的能量密度、以及快速充电能力，但是高压氧化物正极与固体电解质（SSE，solid state electrolyte）之间的界面不稳定性，以及锂金属负极与固体电解质界面处的锂枝晶生长，制约了这一目标的实现。

在近期一项工作中，美国马里兰大学王春生团队从这两个关键的制约因素出发，通过合理的界面设计方案，打造了具备较高能量密度的全固态锂金属电池，并成功实现了快速充电的能力。

电池的高能量密度和快充能力，是当前电子产品和电动汽车等的设备普遍需求，因此该成果有可能用于手机、电动汽车、电脑等领域。

该课题组前期的研究[1]发现临界相间过电位是衡量固体电解质界面（SEI，solid–electrolyte interphase）抑制锂枝晶生长能力的关键因素。

为了实现界面较高的锂枝晶抑制能力，就得让锂枝晶生长的驱动力，低于固体电解质界面本征的锂枝晶抑制能力。

因此，要实现高容量以及大倍率下的充放电，对于 Li/ 固体电解质界面来说，必须为其设计一个界面，以便可以同时提高锂枝晶抑制能力，以及降低锂枝晶生长的驱动力。

在高容量以及大倍率下，电池充放电的稳定性也与正极有关。对于液态锂离子电池来说，已经有大量研究证明元素 F 能在很大程度上保持 NMC811 正极的稳定性。

后来，他们选择四氟硼酸锂作为 NMC811 表面的包覆层。通过将一部分 F 从 NMC811 表面电化学迁移到 NMC811 体相，让 NMC811/Li6PS5Cl 界面、以及 NMC811 体相实现了较好的稳定性。

而要想通过界面层来降低锂枝晶生长的驱动力，就得实现 Li/ 固体电解质之间各个界面的紧密接触。以人工方式加入界面层时，会存在接触不均匀的问题。而在电化学反应过程中，原位生成的界面则能实现各个界面之间的紧密接触。

通过筛选各种金属材料，他们发现镁能同时与 Li6PS5Cl 和锂反应，而生成的 LiMgSx 以及 LiMg，可以起到粘结剂的作用，从而实现 Li6PS5Cl/ 锂化铋以及锂/锂化铋界面之间的紧密接触。

另外，通过提高金属锂与界面层的接触，可以进一步降低界面阻抗，从而进一步降低锂枝晶生长的驱动力。要想实现这一目标，通过设计多孔界面层即可实现。

而在多孔界面层中，要想进一步降低锂沉积的过电位，并使锂沉积在锂和多孔界面层之间，就要求多孔界面层具有较高的离子/电子电导率比。通过筛选各个材料，他们发现锂化铋的确能够满足这些条件。

同时，他们发现镁在锂沉积过程中会向锂负极侧迁移，这样一来就能原位得到锂化铋多孔界面层。于是，课题组使用 Mg16Bi84 作为锂/固体电解质之间的界面层。

虽然实验结果显示镁可以原位迁移，同时 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。但是，他们仍然不清楚镁迁移的内在原因。

后来，课题组通过大量表征、实验和计算，确定了相关机理。即镁的迁移主要依赖于以下几个原因：

其一，镁能和 Li+ 能形成（LiMgx）+；

其二，镁能和锂形成固溶体；

其三，在锂化铋之中，（LiMgx）+ 的迁移能垒较低，而 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。

凭借这几方面优势，让 Mg16Bi84 界面层能够有效地防止锂枝晶的生长，并能在大容量和大倍率之下，实现锂金属高度可逆的沉积和脱出。

总的来说，本次工作通过采用价格低廉的 Mg16Bi84 界面层，既让全固态锂金属电池拥有了较高的能量密度，也让其实现了快充能力。

图 | 相关论文（来源：Nature）

日前，相关论文以《全固态锂电池界面设计》（Interface design for all-solid-state lithium batteries）为题发在 Nature[2]，马里兰大学万红利博士是第一作者，王春生教授担任通讯作者。

图 | 万红利（来源：万红利）

基于这款电池的设计原理，他们正在研究新的界面层，以便进一步地降低成本。另据悉，万红利目前在该课题组从事博士后研究，未来即将回国进行后续科研工作。

参考资料：

1.Nature Energy, 2023, 8，473-481

2.Wan, H., Wang, Z., Zhang, W.et al. Interface design for all-solid-state lithium batteries. Nature 623, 739–744 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06653-w

运营/排版：何晨龙

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