新型超离子导电电解质可以提高全固态锂金属电池的稳定性

全固态锂金属电池（LMB）是一种有前景的储能解决方案，它结合了锂金属阳极和固态电解质（SSE），而不是传统锂电池中的液体电解质。虽然固态LMB与锂离子电池（LiBs）相比可以表现出更高的能量密度，但它们所含的固体电解质容易发生枝晶生长，从而降低了它们的稳定性和安全性

加拿大西部大学、美国马里兰大学和其他研究所的研究人员最近设计了一种新的富含空位、超离子导电的β-Li3N固态电解质（SSE）。最近发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中报道的电解质可以维持所有固态LMB的稳定循环，从而有可能促进其商业化

“我们工作的主要目标是为全固态LMB开发锂稳定、超离子导电的SSE，特别是针对它们在电动汽车（EV）中的应用，”该论文的第一作者Weihan Li告诉Phys.org。

”电动汽车市场正在经历快速增长，但一个关键的限制仍然是每次充电300-400英里的短续航里程，主要是由于传统锂离子电池的能量密度有限（约300 Wh/kg）。全固态锂金属电池通过提供高达500 Wh/kg的能量密度的潜力，从而将续航里程扩展到600多英里，是应对这一挑战的有前景的解决方案。“

到目前为止，开发全固态LMB的一个关键挑战是缺乏安全、可靠和高性能的SSE。李和他的同事最近工作的关键目标是设计一种新的电解质，该电解质结合了对锂金属的高稳定性和高离子电导率

李说：“基于我们对SSE的先前理解，我们将氮化物确定为一类对锂金属稳定的材料。然而，传统的氮化物表现出较低的离子电导率。通过利用我们对锂导电机制的了解，我们设计了一种富含空位的β-Li3N SSE。”。因此，这种有前景的材料可以帮助克服通常与开发高性能全固态LMB相关的局限性

李说：“我们对富含空位的β-Li3N的设计是基于对锂离子传导机制的理解。晶体结构中的缺陷，如空位，可以减少锂离子迁移的能量障碍，增加可移动锂离子的数量。”。这一过程被用来在材料的结构中引入受控数量的空位，最终增强了其性能

“富含空位的β-Li3N的离子电导率是商用Li3N的100倍，”李解释道。“它对锂金属表现出优异的化学稳定性，能够制造长循环全固态LMB。该材料在干燥空气中也表现出高稳定性，使其适用于干燥室环境中的工业规模生产。”。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

当他们将新设计的SSE集成到LMB中时，研究人员获得了SSE前所未有的离子电导率，在25°C时达到2.14×10−3 S cm−1。基于电解质的对称电池实现了高达45mA cm-2的高临界电流密度和高达7.5mAh cm-2的大容量，以及超过2000次循环的超稳定锂剥离和镀覆过程

李说：“我们的研究为SSE实现了破纪录的离子电导率和锂金属的卓越稳定性。这些发现具有重要意义，因为它们解决了全固态LMB开发中的两个最关键的挑战。”。这些电池最终可以集成到电动汽车和其他大型电子产品中，以延长电池寿命并减少充电时间。

“展望未来，我的研究将集中在两个主要方向，”李补充道。“一方面，我的目标是解决全固态LMB中剩余的界面挑战，以进一步增强锂离子传导并延长电池寿命。这将涉及对界面反应动力学和新型材料设计的深入研究。

”在工程方面，我计划通过开发基于富含空位的β-Li3N的原型电池和商业规模的袋式电池来应对实际挑战。这将包括优化大规模生产的材料，并将其集成到适用于现实应用的功能电池系统中。p