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為了滿足遠程電動汽車和電動飛行的需求，下一代電池必須具有更高的能量密度和更高的安全性。固態電池（SSB）可以使用新型高容量電極材料，同時避免使用易燃液態電解質。鋰金屬負極因其低電極電勢和高理論容量（3861 mAh g^?1）而被廣泛研究用于SSB。然而，事實證明，與界面不穩定性和鋰枝晶滲透導致短路相關的挑戰極難解決。

在此，美國佐治亞理工學院MatthewT.McDowell團隊報告了在全固態鋰離子電池配置中使用具有微結構的非預鋰化鋁箔負極。當30μm厚的Al_94.5In_5.5負極與Li₆PS₅Cl固態電解質和LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂基正極組裝的電池可提供數百個穩定的循環。

該工作還證明了，由于鋁基體中分布有LiIn網絡，多相Al-In微觀結構能夠改善倍率性能并增強可逆性。這些性能的提高得益于分布式LiIn相以最小的過電位促進了鋁的（脫）鋰化反應，以及高鋰離子擴散率的LiIn相減輕了鋰捕獲。

圖1. 鋁基電極在各種電池配置中的電化學性能

總之，該研究結果表明，固態結構以及負極微結構對于實現穩定的全固態二次鋰電池具有明顯的優勢。致密的鋁基負極在固態電池的鋰化和脫鋰過程中保持緊湊，避免了在使用非水電解質溶液的電池形成大量的SEI，從而限制了電池的性能。

由于分布式高擴散性LiIn相能夠使Li與Al在較大的界面面積上發生反應，從而提高速率性能，同時還能最大限度地減少脫鋰過程中的鋰捕獲。因此，SSB循環性能可通過添加少量合金元素得到改善。

此外，鋁箔合金電極還提供了將一種結構同時用作離子存儲電極和電流收集器的可能性。預計未來在優化合金成分和微觀結構、確定銦以外的其他元素添加效果以及了解材料演變方面的努力將進一步提高性能。

圖2. SSBs中Al_94.5In_5.5和鋁箔在不同循環階段的非原位低溫FIB-SEM測量

Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-39685-x

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Nature子刊：全固態鋰離子電池多相微觀結構鋁箔負極

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