【科技】中山大学卢侠团队Electrochem Energy Rev综述：锂合金/卤化锂混合层稳定锂-电解质界面

自20世纪90年代初首次商业化以来，锂离子电池已占据储能电池市场长达30年。最新锂离子电池的能量密度已高达约260 Wh kg-1和约700 Wh L-1。然而，由于石墨负极（372 mAh g-1）的能量密度限制，对电池更高能量密度的追求给当前锂离子电池带来了巨大压力。相比于锂离子电池，由于金属锂的超高能量密度（3860 mAh g-1和2061 mAh cm-3）、超低质量密度（0.534 g cm-3）和电化学电势（相对于标准氢电极为-3.04 V），使用金属锂作为先进负极已成为将锂离子电池的目标能量密度提高到400 Wh kg-1以上最有希望的途径。此外，当锂金属负极与硫或氧正极相匹配时，相应的电池能量密度可分别进一步提高到约650 Wh kg-1和约950 Wh kg-1。然而，目前的锂金属负极仍然存在重大问题。其中，最令人担忧的问题是其不稳定的锂/电解质界面。由于锂的高费米能级，电解液会在锂金属表面发生还原并形成固体电解质界面（SEI），以保护锂金属免受进一步的电解液腐蚀。然而，由于成分和结构的固有缺陷，自生成的SEI是脆弱的，且无法在完整的电池循环中保持稳定，极易受到枝晶生长的威胁。此外，与石墨工作原理不同，基于电镀/剥离的锂金属负极存在体积变化问题，循环时会对SEI施加巨大的应力，导致SEI破裂和再生。最终，随着循环次数增加，锂金属负极会因枝晶过度生长或SEI反复生长而失效，甚至引发严重的安全问题。

锂合金、锂卤化物和锂合金/锂卤化物混合层特性概述。

基于此，中山大学卢侠教授课题组以锂合金/卤化锂混合层为研究主题，综述了其在锂金属负极界面保护上的突出贡献。与其他界面优化层相比，电化学-机械稳定的合金/卤化锂混合层可以提供快速的锂离子扩散通道，阻断有害的电子隧穿，并增强界面的机械强度，从而实现无枝晶沉积和锂/电解质界面稳定。该综述主要关注锂合金/卤化锂混合层，以及如何建立理想的锂/电解质界面，以提高锂金属负极的可循环性、稳定性和安全性。为此，系统地回顾和总结了锂合金层和卤化锂层的形成机制和独特优点，以及它们在液/固态电池中的最新进展和在锂/电解质界面保护方面的缺点。随后，在对锂合金层和锂卤化物层进行综合分析的基础上，将锂合金/卤化锂混合层引入到锂/电解质界面中，它们可以结合起来，保持各自的优势，弥补各自的不足（图1），并阐述了锂合金/卤化锂混合层的基本机理、性能和均匀的锂沉积行为，以及在液/固态电池中具有代表性的锂合金/卤化物混合层的制备策略和进展。此外，还系统地总结了先进的表征方法。最后，基于收集的数据和所报道的混合层的不足，提出了未来锂合金/卤化锂混合层的发展方向，旨在阐明高能量密度和高性能锂金属电池的指导方针和设计理念。以上相关内容以“Li Alloy/Li Halide Mixed Layer: An Emerging Star for Electro-Chemo-Mechanically Stable Li/electrolyte Interface”为题发表在综述类期刊Electrochemical Energy Reviews (IF = 28.4)上，第一作者为材料学院博士研究生曹嘉祺，通讯作者为中山大学卢侠教授。

论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-024-00229-6

作者简介

曹嘉祺：中山大学材料学院博士生，研究方向集中于高能量密度锂合金负极。

卢侠：中山大学材料学院教授，围绕锂二次电池基础科学问题，在层状正极和界面方向开展工作，已发表SCI论文100余篇，H因子45；主持包括国家自然科学基金面上、广东省基础与应用基础研究基金-区域联合基（重点）以及作为骨干参与科技部重点研发计划等项目。