JACS：全固態(tài)鋰電池界面的原位納米可視化！

鋰沉積的位置及其在固態(tài)電解質(zhì)（SSE）-鋰負(fù)極界面的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，對(duì)全固態(tài)電池的性能具有決定性影響。

然而，由于對(duì)埋藏界面進(jìn)行實(shí)時(shí)納米尺度觀測(cè)存在技術(shù)挑戰(zhàn)，這些過(guò)程的納米級(jí)機(jī)理至今尚不明確。

2026年1月2日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所文銳、Zhen-Zhen Shen在國(guó)際知名期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表題為《Tracing Lithophilic Sites: In Situ Nanovisualization of Their Migration and Degradation in All-Solid-State Lithium Batteries》的研究論文，Zhen-Zhen Shen為論文第一作者，文銳、Zhen-Zhen Shen為論文共同通訊作者。

本研究采用原位電化學(xué)原子力顯微鏡技術(shù)，直接觀測(cè)親鋰層調(diào)控下的界面演化行為，揭示了兩種由界面原位生成固體電解質(zhì)界面相（SEI）主導(dǎo)的不同失效路徑。

原位成像顯示：金（Au）層在鋰沉積過(guò)程中形成Li-Au金屬間化合物，引導(dǎo)鋰在其表面形成球形沉積，從而減少鋰與SSE的直接接觸。

這減緩了SSE的分解，形成以Li2S/Li2O為主的惰性SEI，促使后續(xù)循環(huán)中鋰在無(wú)SEI覆蓋區(qū)域發(fā)生再沉積；而銀（Ag）層則形成Li-Ag固溶體，在沉積過(guò)程中始終與SSE保持直接接觸，加速了SSE分解，形成以Ag2S為主的親鋰性SEI。

在剝離過(guò)程中形成的界面孔隙，使得鋰優(yōu)先在富含SEI且無(wú)孔隙的區(qū)域再沉積。

這兩種親鋰演化路徑均導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中SEI不斷累積和界面親鋰性逐步喪失。

通過(guò)在Ag層與SSE之間插入Au中間層，可有效抑制SSE分解，阻止親鋰位點(diǎn)遷移，從而提升電池循環(huán)性能。

本研究揭示了固態(tài)電池中界面退化的根本機(jī)制，為設(shè)計(jì)穩(wěn)定的金屬鋰負(fù)極提供了新的策略。

全固態(tài)電池（ASSBs）采用鋰（Li）金屬負(fù)極，因其高安全性和高能量密度，被認(rèn)為是有前景的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，鋰負(fù)極-固態(tài)電解質(zhì)（Li-SSE）界面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仍然是關(guān)鍵性能瓶頸。在鋰沉積過(guò)程中，鋰傾向于在接觸電阻低的位置優(yōu)先沉積。鑒于鋰原子的固相擴(kuò)散速率本質(zhì)上較慢（~10-10 cm2 s-1），這種優(yōu)先沉積容易導(dǎo)致局部鋰?yán)鄯e和非均勻鋰生長(zhǎng)。盡管提高外加過(guò)電位或外部壓力可以增強(qiáng)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力或改善接觸，從而增加有效鋰沉積位點(diǎn)，但隨后的剝離過(guò)程同樣會(huì)優(yōu)先在現(xiàn)有接觸點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)。這一過(guò)程會(huì)不可逆地誘導(dǎo)界面處形成空洞，破壞原始接觸結(jié)構(gòu)。此外，沉積鋰的演化受到其表面原位形成的固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI）理化性質(zhì)的關(guān)鍵影響。金屬鋰與SSE之間非保形接觸使得原位SEI的形成與演化更加復(fù)雜，進(jìn)一步加劇了界面動(dòng)態(tài)的復(fù)雜性。因此，鋰沉積起始于空間異質(zhì)位點(diǎn)，其在循環(huán)過(guò)程中的后續(xù)演化在很大程度上難以預(yù)測(cè)，給實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的精確控制帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

綜上，該研究利用原位電化學(xué)原子力顯微鏡（EC-AFM）等先進(jìn)技術(shù)，直接可視化了全固態(tài)鋰電池中親鋰界面在循環(huán)過(guò)程中的納米尺度動(dòng)態(tài)演化行為，揭示了兩種典型親鋰金屬——金（Au）和銀（Ag）截然不同的界面退化機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，Au層在鋰沉積過(guò)程中形成Li-Au金屬間化合物，引導(dǎo)鋰以球形方式在其頂部沉積，有效隔絕了鋰與固態(tài)電解質(zhì)（SSE）的直接接觸，從而減緩了SSE的分解，形成了以惰性的Li2S/Li2O為主的固體電解質(zhì)界面（SEI）。

然而，在后續(xù)剝離-再沉積循環(huán)中，這層SEI會(huì)包裹住親鋰的Au合金，迫使鋰優(yōu)先在無(wú)SEI覆蓋的新區(qū)域沉積，導(dǎo)致界面接觸逐漸喪失。

相比之下，Ag層則形成Li-Ag固溶體，使沉積的鋰能持續(xù)與SSE保持接觸，這雖然促進(jìn)了均勻沉積，卻也加劇了SSE的分解，形成了富含高親鋰性Ag2S的SEI。

但在剝離過(guò)程中，界面會(huì)形成孔洞，使得再沉積的鋰被重新導(dǎo)向至富含SEI且無(wú)孔洞的區(qū)域。

這兩種路徑最終都因SEI的不斷累積和親鋰位點(diǎn)的遷移或失活，而導(dǎo)致界面性能持續(xù)惡化。

為解決這一根本問(wèn)題，研究者創(chuàng)新性地提出在Ag層與SSE之間插入一層Au作為中間層，成功抑制了SSE的分解，穩(wěn)定了親鋰位點(diǎn)，顯著提升了電池的循環(huán)性能。

Tracing Lithophilic Sites: In Situ Nanovisualization of Their Migration and Degradation in All-Solid-State Lithium Batteries,

J. Am. Chem. Soc.

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