可充电锂金属和锂离子电池的研究历史以及全固态锂金属电池的预测。图片来源：Li等人全固态锂金属电池（LMB）是一种很有前途的储能解决方案，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。与锂离子电池（LIBS）相比，固态LMB可以表现出明显更高的能量密度。
加拿大西部大学、美国马里兰大学和其他机构的研究人员最近设计出一种新型富空位超离子导电β-Li3N固态电解质。 主要目标是为全固态 LMB 开发锂稳定的超离子导电 SSE，尤其是针对它们在电动汽车中的应用。电动汽车市场正在经历快速增长，但主要限制因素仍然是每次充电的行驶里程较短，仅为 300-400 英里，这主要是由于传统锂离子电池的能量密度有限（约 300 Wh/kg）。 全固态锂金属电池是应对这一挑战的一个很有前景的解决方案，因为它有可能实现高达 500 Wh/kg 的能量密度，从而将每次充电的行驶里程延长到 600 英里以上。
这种富空位的 β-Li3N SSE 在 25 °C 时的离子电导率高达 2.14 × 10-3 S cm-1，几乎超过了所有已报道的氮化物基 SSE。 通过空位引发的活化能降低和移动锂离子群增加，揭示了锂离子和氮空位介导的快速锂离子迁移机制。 使用富空位 β-Li3N 的全固态锂对称电池在临界电流密度高达 45 mA cm-2、容量高达 7.5 mAh cm-2 以及超过 2,000 次循环的超稳定锂剥离和电镀过程方面取得了突破性进展。 富空位 β-Li3N 的高锂兼容性机制被揭示为对锂金属的内在稳定性。 此外，β-Li3N 通过形成保护表面而具有优异的空气稳定性。 使用富空位的 β-Li3N 作为 SSE 夹层以及锂钴氧化物（LCO）和富镍 LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (NCM83) 正极的全固态锂金属电池表现出卓越的电池性能。 LCO 在 1.0 C 下循环 5,000 次后，容量保持率为 82.05%，达到 95.2 mAh g-1；NCM83 在 1.0 C 下循环 3,500 次后，容量保持率为 92.5%，达到 153.6 mAh g-1。 利用富含空位的 β-Li3N SSE 和 NCM83 正极，全固态锂金属电池成功实现了高达 5.0 C 的轻度快速充放电，并保留了 60.47% 的容量。 值得注意的是，这些电池表现出较高的单体容量，紧凑型颗粒电池的单体容量约为 5.0 mAh cm-2，全固态锂金属袋电池的单体容量约为 2.2 mAh cm-2。
原文链接: Weihan Li et al, Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01813-z
