由固化正極、電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極組成的全固態(tài)電池（ASSB）由于其出色的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)高能量密度的期望而備受關(guān)注。然而，鋰枝晶生長、化學(xué)機(jī)械退化和界面不穩(wěn)定性阻礙了其永久運(yùn)行，導(dǎo)致鋰耗盡、電阻增加和內(nèi)部短路。

在此，韓國電子技術(shù)研究所（KERI）Byung Gon Kim等人首次報(bào)道了氮化鋰 (Li₃N) 犧牲正極與無鋰In層相結(jié)合對ASSB循環(huán)性能的影響。通過對電池的原位氣體放出和內(nèi)部壓力變化分析，發(fā)現(xiàn)與液體電解質(zhì)電池一樣，Li₃N的分解補(bǔ)償了電池中副反應(yīng)消耗的活性鋰。

此外，還證明了通過額外提供的鋰通過In的體積膨脹來改善粒子間接觸以及通過無枝晶In層改善在負(fù)極側(cè)的界面穩(wěn)定性，是改善ASSB循環(huán)性能的主要原因。

圖1. 犧牲正極對ASSBs電化學(xué)性能的影響

由于對消耗的Li進(jìn)行了足夠的補(bǔ)償，通過In的體積膨脹增加了內(nèi)部壓力，以及穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)（SE）/In界面，LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM, 高負(fù)載量≈22.7 mg cm^-2) 電池在超過160次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

此外，還證實(shí) In 層沒有枝晶生長，并有助于與硫化物SE形成穩(wěn)定的界面，從而實(shí)現(xiàn)長期循環(huán)而不會出現(xiàn)電池故障。本研究傳達(dá)了一個有意義的信息，即考慮鋰補(bǔ)償和內(nèi)部壓力控制以及能夠防止鋰沉積不均勻和減輕界面寄生反應(yīng)的穩(wěn)定負(fù)極的電池設(shè)計(jì)對于硫化物ASSB的穩(wěn)定循環(huán)至關(guān)重要。

圖2. 電池內(nèi)部壓力的重要性和Li₃N添加的有效性

Stable Cycling of All-Solid-State Batteries with Sacrificial Cathode and Lithium-Free Indium Layer, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202108203