哥大Nat. Commun.：锂金属-LLZO界面接触力学演化及微观结构形成动力学

锂金属电极与固态电解质之间界面的动态行为对全固态电池的性能起着关键作用。在整个循环过程中，该界面的演变涉及微观和纳米尺度的多尺度机械和化学异质性。这些特性取决于运行条件，如电流密度和堆栈压力。

美国哥伦比亚大学Lauren Marbella、Daniel Steingart等报道了原位声波传输测量与核磁共振波谱（NMR）和磁共振成像（MRI）的耦合，以将界面力学的变化（例如接触损失和裂纹形成）与电池循环期间锂微结构的生长相关联。

图1 2 MPa时的锂金属-LLZO界面

原位声学传输可以检测传统锂离子电池中电池模量、密度和膨胀的变化。声波传输利用超声波频率（通常在 1 到 10MHz 之间）的声波通过电池层传播，声速和振幅取决于每一层的机械特性。由于固体/气体界面由于高声阻抗失配而具有较差的声信号传输，因此即使在剥离的Li (s)-LLZO界面处发生很小的接触损失，也预计会衰减声幅。

与具有液态电解质和相变石墨负极的传统锂离子电池不同，锂金属负极与固态电解质相结合，为声音传播提供了不同的介质。代替由于体相变化引起的振幅和声速变化，锂沉积和剥离增加了锂金属和电解质之间的界面粗糙度。由于锂剥离形成空隙导致的接触损失降低了传播波的强度，从而导致声音传输强度的损失。

图2 7.4 MPa时的锂金属-LLZO界面

固态NMR和MRI通过同时探测化学成分和微观结构形态/数量来补充声学测试。作者利用这种独特的化学机械探针来评估在长电压极化步骤中维持共形接触和界面稳定性（或缺乏稳定性）所需的最小堆栈压力。特别是，在锂沉积和对称Li (s)-LLZO电池剥离期间施加2到13 MPa的堆压力，以通过声传输测试增加堆压力对空隙形成和蠕变恢复率的影响。

实验表明，在静止期间，高于临界阈值的堆栈压力可以可逆地恢复剥离锂侧的接触损耗。接触损失率与MRI检测到的整个电池中锂微结构生长的程度相关。除了固定压力研究外，作者还设计了一个固定间隙电池，用于对声学传输和固态NMR光谱进行同步原位表征。此功能可用于表征运行中的同一电池的力学和微观结构，而不会因电池间的变化而产生噪音。

图3 13 MPa时的锂金属-LLZO界面

Evolving contact mechanics and microstructure formation dynamics of the lithium metal-Li7La3Zr2O12 interface. Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26632-x

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