锂电池中固体电解质可以抑制Li枝晶的生长从而使得锂金属阳极成为可能,但是Li枝晶还是可以刺穿固体电解质(通过晶界或者裂纹),这主要是因为固体电解质与Li金属的界面不够平整,化学稳定性有限。

所以使用Li合金的体系作为阳极。这些合金虽然与固体电解质的热力学稳定性窗口不相容(会被氧化),但是可以形成一个稳定的界面相使得循环变得可能。

脱Li过程中堆叠压力对于界面的影响

实验体系主要是:

\[A|Li_6PS_5Cl|In\]

其中\(A=(Li_{0.5}In,LiIn,Li_{13}In_3,Li_2Sn,Li)\)

整体反应类似于\(A+In=ALi_{-x}+Li_{x}In\)

堆叠压力是指将固体电极以一定的压力压在固体电解质上,从而降低电阻并且增加界面的一致性。通过施加压力,电阻会大约在40欧姆级别,说明是界面接触良好

在脱锂过程中Li从阳极转移到阴极的In中形成合金。如果只在最初施加堆叠压力,界面电阻显示阴极的In在整个过程中电阻没有什么太大变化,对于不同种类的阳极,纯Li阳极的电阻从最初的非常低的电阻,到反应结束时候变成最高的电阻,这个应该是在界面耗尽形成了空隙的原因。而其他的LiIn合金电阻的变化没有这么显著

而如果一直施加恒定的堆叠压力,那么电阻的变化不会有那么显著,而且容量也有所增加

计算部分,主要是计算了每种阴极材料中Li的迁移势垒。有一部分比较值得留意:

锂在锂金属(块体)中的迁移显示出最低的迁移能量(~69 meV,图4 e)。这种趋势的一个例外是 LiIn(~34 meV),其中容易的 Li 迁移发生在两个共享面扭曲的 LiIn 4四面体之间(见图 S13 f)。虽然实验报道 LiIn 在室温下是一种稳定的化合物(图1b),LiIn 在计算的 0 K 相图中出现轻微亚稳态(并且位于稳定线上方~3 meV/atom)。由于我们的 NEB 计算站点中的端点结构确实是亚稳态的,因此计算的迁移势垒为 0 K 被人为降低。考虑到我们的初始和最终结构模型的热力学不稳定性(并且 LiIn 模型包含 127 个原子),预计端点结构的稳定性会降低至少 ∼381 meV。因此,如果考虑到 LiIn 的亚稳态,Li +迁移势垒将为 ∼415 meV (381 + 34 meV),这比 Li 13 In 3情况下计算的势垒高近 3 倍(∼172 meV,图4)。要充分评估 Li +在 LiIn 中的迁移特性,肯定需要更多的计算和实验研究。

也就是说对于亚稳态的结构需要人工提升这个迁移势垒?必可活用于下一次

提出Li在合金中有两种不同的传输机制:interstitial或者vacancy。随着合金中Li浓度的变化,传输机制也有可能发生变化,从interstitial变成vacancy的模式

对称电池的锂循环

实验体系主要是:

\[A|Li_6PS_5Cl|A\]

其中\(A=(Li_{0.5}In,LiIn,Li_{13}In_3,Li_2Sn)\)

这是对称电极,充电时候Li会跑到正极,放电时候Li再回到负极。中间隔着一层(大概很薄的)固体电解质

结论显示动力学方面讲Li-In合金比Li-Sn合金更好,但是LiIn系统中Li动力学随Li增加变差,但是Li-Sn合金随Li增加会变好。

循环性能显示在经过500次循环或者说1000消失之后没有非常大的衰减