金属锂负极因其具有高达3860 mAh·g−1的理论比容量以及最低的电化学势（相对于标准氢电极为−3.04 V）而被认为是下一代高比能二次金属锂电池体系中最理想的阳极材料。但是金属锂负极在充放电过程中存在的体积膨胀、不稳定固体电解质界面（SEI）膜以及金属锂枝晶生长等问题极大地限制了其广泛的应用与发展，使用具有良好机械强度和高安全性能的固态电解质（SSE）有望解决上述问题。准固态凝胶电解质（GPE）与金属锂的界面浸润性良好，并且其具有较高的室温离子电导率，兼容现有软包生产工艺。然而，目前对于GPE基固态金属锂电池的锂沉积/溶解行为以及电解质改性的微观调控机理尚不清晰。因此，从纳米尺度上实现金属锂沉积/溶解界面演化过程的原位可视化探究，深入理解电解质调控诱导生成的氮化界面对金属锂负极界面过程的调控与优化机制，有利于揭示GPE基准固态金属锂电池中的界面构效关系与微观反应机理，对下一代高比能固态金属锂电池的优化设计以及性能提升具有重要指导意义。
本工作利用原位电化学原子力显微镜（in situ EC-AFM）探究了在基于不同凝胶电解质体系的准固金属锂电池（QSSLMBs）中金属锂负极在充放电过程中的动态界面演化过程，揭示了GPE基电解质改性诱导形成的氮化界面对电极过程的调控与优化机制。在含有硝酸锂（LiNO3）电解质添加剂的GPE体系中，在线监测到了一层无定形SEI膜覆盖于锂金属电极表面，而后诱导块状沉积锂致密均匀地成核与生长。LiNO3电解质添加剂对于电解质的改性，有效地抑制了金属锂负极表面因不均匀应力释放而产生的孔洞状缺陷，有效改善了金属锂在锂电极表面沉积的动力学过程，阐明了LiNO3添加剂调控氮化界面生成以及均匀化锂沉积/溶解过程的界面微观机制。上述研究结果有利于深入理解QSSLMBs表界面的基础科学问题，并指导电池体系的界面修饰与结构设计，为GPE基准固态金属锂电池性能的提升提供实验依据与优化策略。该成果近期发表在《Journal of Energy Chemistry》上。
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.10.021
Insights into the nitride-regulated processes at the electrolyte/electrode interface in quasi-solid-state lithium metal batteries
J. Energy Chem., 2022, 67, 780-786.
图1 GPE基准固态金属锂电池界面演化过程和反应机理示意图
