金屬锂具有高理論比容量和低氧化還原電位，與高電壓正極匹配可提升锂電池能量密度。傳統的有機電解液體系無法滿足锂金屬電池的安全性要求，具有寬電化學窗口和不易燃的固态電解質被視為提升電池安全性和能量密度的合理解決方案。石榴石型LLZO氧化物具有高離子電導率和對金屬锂穩定等優勢，是一種應用前景廣闊的固态電解質。但由于固态電解質表面碳酸锂絕緣層和金屬锂表面氧化層的存在，如何通過簡單可靠的工藝實現并保持固态電解質-锂金屬界面的良好浸潤是一大挑戰。
近日，beat365汪長安教授和董岩皓助理教授提出在熔融金屬锂中加入反應型氮化鎂添加劑，通過化學反應驅動力實現了添加劑的均勻分散，原位生成的氮化锂具有強反應活性，促進了熔融锂對容器的潤濕和鋪展，簡化了電池組裝過程，同時提高了金屬锂對石榴石電解質的浸潤性，降低了界面電阻，提高了固态電解質對锂枝晶的耐受能力和電池的循環穩定性。
圖1. 反應性氮化鎂添加劑簡化了電池組裝工藝，構築了高浸潤性超薄锂負極
初始态熔融锂在坩埚内部呈球狀，加入氮化鎂後攪拌，熔融锂可在不鏽鋼坩埚底部鋪展，表面氧化膜易被刮刀去除，暴露出新鮮的金屬锂。相比原始狀态的熔融锂，電解質表面可獲得厚度均勻的超薄金屬锂負極（小于20微米），且界面接觸良好，無明顯縫隙。本文提出反應分散和反應浸潤的機制來解釋實驗現象。氮化鎂與金屬锂的化學反應為氮化鎂粉末在熔融锂中的分散提供了強驅動力，可視為反應分散過程。反應原位生成的氮化锂具有強反應活性，可在高溫下與不鏽鋼發生微量界面反應，使得熔融锂很快潤濕坩埚底部，添加劑種類可擴展至氮化钛、氮化锆、氮化钽和氮化铌等氮化物，均可輕易實現對不鏽鋼的潤濕，從而支持此概念的普适性。類似地，氮化锂也可能與氧化物電解質在界面處發生反應，促進锂與石榴石界面的更緊密結合。
本文分别測試了加入氮化鎂前後锂對稱電池的長循環性能。加入添加劑後，锂對稱電池在室溫和40℃下、以0.3mA/cm2電流密度均可穩定循環超過400小時。此外，本文還驗證了其在0.5mA/cm2的更大電流密度下可穩定循環超過700小時，證明了良好的界面循環穩定性。
圖2. 加入氮化鎂添加劑前後的锂對稱電池循環性能對比
本文通過向熔融锂中加入少量氮化鎂作添加劑，改善了锂對石榴石電解質的潤濕行為，降低了锂電池組裝實驗難度，在锂/石榴石電解質界面實現了較強的界面結合和卓越的電化學穩定性。反應分散和反應浸潤的機制為電化學性能的改善提供了可能的解釋，未來有望應用于其它器件中構築高質量電化學界面。相關成果近日以“Reactive Magnesium Nitride: A Drop-in Solution for Lithium/Garnet Wetting in All-Solid-State Batteries”為題發表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，beat3652018級博士生陳林輝為第一作者，beat365董岩皓助理教授和汪長安教授為本文共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金項目支持。
論文鍊接：https://doi.org/10.1002/anie.202305099