清华张强教授Sci. Adv.：固态锂合金负极中从锂原子到锂空位的载流子跃迁

高能量密度固态电池的稳定循环高度依赖于动力学稳定的固态锂合金化反应。固-固界面的锂（Li）金属沉积是界面波动和电池失效的主要原因，其形成需要明确的机制解释，尤其是关键动力学方面存在短板。

图1. 连续锂化过程中Li-In的锂动力学演变

在此，清华大学张强教授等人将Li-In合金作为模型系统，用于筛选Li动力学中的速率决定步骤和载体种类。作者发现了从合金化到金属沉积的动力学转变，并通过恒电流电化学阻抗谱 (GEIS) 对弛豫时间分布 (DRT) 进行分析，原位监测了它们的演变过程。

在整个锂化过程中对锂原子扩散和电荷转移进行量化和比较，表明了速率决定步骤为不同锂化阶段的电荷转移或锂原子扩散。

图2. Li动力学转变的速率决定步骤和主要载体

具体而言，快速的锂原子扩散（>10^-11 cm² s^-1) 和避免锂金属成核的快速电荷转移保证了稳定的合金化过程，而衰减的电荷转移将触发从合金化到金属沉积的转变。

锂动力学转变证明了主导载流子从锂原子到锂空位的交替，构成了特定动力学特征的内因，包括决速步骤和界面稳定性。锂合金负极中的速率决定步骤和载体的知识提供了下一代固态锂电池应用所需的关键洞察力。

图3. 全固态电池锂铝合金电极锂化过程中的动力学特性

The carrier transition from Li atoms to Li vacancies in solid-state lithium alloy anodes, Science Advances 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abi5520

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