合金化Li-Sn降低锂金属与固态电解质的界面阻抗

锂金属具有非常低的还原电位（-3.05V）和超高的理论比容量（3860mAh/g），所以吸引了一大波科员工作者对其深入研究。但是，在有机液体电解质中锂枝晶特别容易生成，给电池带来严重的安全问题，影响电池的实际应用。一部分研究工作者改变策略，使用固态电解质来阻止锂枝晶的生成，并取得了一定的成果。但是固态电解质与锂金属的不良接触，导致接触面存在高达1000Ω的界面阻抗。

图1 Li与Li合金在基体上不同润湿性的示意图

图2 a) 不同Sn含量的Li合金在铝基体上 b) Li-Sn合金润湿石榴石固体电解质的过程 c,d) Li-Sn合金与石榴石接触的面的SEM

为解决界面阻抗的问题，马里兰大学Liangbing Hu课题组通过复合Sn形成Li-Sn合金，使合金材料与石榴石相固体电解质（以下简称石榴石，Li6.75La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12）的润湿性能大大增加，从而降低了电极材料与石榴石的界面阻抗。

图3 电化学测量 a) 阻抗图谱 b) 循环前后阻抗图谱 c) Li-Sn/石榴石/Li-Sn沉积/剥离100h循环曲线

Li-Sn/石榴石/Li-Sn 组成对称电池，通过对阻抗的测量和计算可得知界面阻抗大约在7Ω左右，这远远小于之前报道的Li/石榴石/Li的界面阻抗，因此这是目前解决锂金属阳极和石榴石固体电解质界面阻抗最有效、最实用的方法。

图4 Li-Sn/石榴石/Li-Sn的表征 a) 沉积/剥离示意图 b) 沉积前SEM c) 沉积后SEM d) 沉积后的EDS e) 剥离前SEM f) 剥离后SEM g) 剥离后EDS

作者进一步研究了Li-Sn/石榴石/Li-Sn对称电池的稳定性，经过长达100h的沉积/剥离，材料表现出超高的稳定性，证明Li-Sn合金与石榴石在电化学循环过程中具有良好的界面稳定性。作者还对材料进行长时间的沉积与剥离，进一步证明Li-Sn合金与石榴石间稳定性的建立。

图5 a) 具有良好润湿性的二元合金的XRD b,c) Li分别在Ti箔和聚酰亚胺上d) Na在Al2O3上 e,f) Li-Sn合金分别在Ti箔和聚酰亚胺上g) NaSn合金在Al2O3上

作者为了进一步证明二元金属相的加入可以提高锂金属的润湿性，Li-Sn合金与Li做对比，前者在Ti箔上具有更小的接触角；应用在聚酰亚胺上的表现与在Ti箔表现类似。作者指出此技术可以应用在Na基材料上，并实验得出NaSn合金比Na在Al2O3具有更好的润湿性，也证明了这种方法具有发展前景。

参考文献

Chengwei Wang, Hua Xie, Lei Zhang, Yunhui Gong, Glenn Pastel, Jiaqi Dai, Boyang Liu, Eric D. Wachsman, Liangbing Hu, Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries, Adv. Energy Mater. 2017, 1701963

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