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研究背景
全固态锂金属电池（ASSLMBs）因其在运输电气化等领域中的高能量密度和安全性而备受关注。与传统的液态电池相比，ASSLMBs使用固态电解质（SSE）代替液态电解质，有望提升电池的安全性并减少危险的漏液问题。然而，目前固态电池的实用化面临着一系列挑战，尤其是锂金属电池的锂反转率低、电池负载能力有限、以及高温和高压操作要求等问题。这些问题的产生，主要源于固态电解质的低电压还原和高电压分解特性，以及锂枝晶的生长。针对这些问题，研究者们一直在探索新的解决方案，以提高全固态锂金属电池的性能和稳定性。为了解决这一问题，马里兰大学王春生团队、Chunsheng Wang等在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Revitalizing interphase in all-solid-state Li metal batteries by electrophile reduction”的最新论文。他们设计并制备了一种新型的还原型电亲电物质（RE），它能够在与金属–亲核材料（如锂硫化物固态电解质）接触时，通过电化学还原反应形成一种具有电子屏蔽和锂疏水性的保护层，称为固体还原型电亲电物质界面（SREI）。这种SREI能够有效阻止固态电解质的还原反应，抑制锂枝晶的生长，并支持高电压的阴极材料。通过这种方法，固体还原型电亲电物质界面的处理显著提高了锂金属负极的锂反转率，成功实现了高容量和长循环寿命。 利用这种SREI处理的固态电解质，研究团队成功构建了一种Li(1% Mg)/SSE/LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂的全固态锂金属电池，能够在30°C和2.5 MPa的条件下，获得高达99.9%的库仑效率、约10,000小时的长循环寿命以及超过7 mAh cm⁻²的高电池负载能力。此外，这种方法也可以扩展到其他类型的电极材料（如金属氧化物），进一步提高高镍阴极的循环寿命，并扩展电池的操作电压至4.5 V。研究亮点
- 实验首次提出固态还原亲电层（SREI）概念，成功在固态电解质（SSE）和电极材料表面形成保护性层：通过还原亲电试剂（如二磷酰氟DPF）与锂硫化物SSE（如LPSC）接触，在材料表面生成了薄而密集的固态还原亲电层（SREI），有效抑制了锂枝晶的生长和SSE的还原/氧化分解。
- 实验通过将SREI层应用于Li金属/固态电解质/高镍正极全固态锂金属电池，得到了显著提高的电池性能：该技术实现了高库伦效率（>99.9%）、长循环寿命（~10,000小时）和高负载（>7 mAh/cm²）电池性能，在30°C和2.5 MPa的条件下，显著提高了电池的工作稳定性和效率。
- 实验通过优化还原亲电试剂的选择，形成了能有效提升SSE与电极的兼容性并扩展电池工作电压的保护层：该方法不仅改善了锂负极的可逆性，还增强了与4V级高镍正极（如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）的兼容性，扩展了电池的操作电压至4.5V，从而提升了高镍正极的循环寿命。
- 实验通过SREI层的自限制电化学过程，解决了传统固态电池中界面不稳定和高温高压要求的难题：SREI层通过无电场和高精密设备的电化学还原过程，在材料表面均匀形成，替代了传统的固态电池界面修饰方法，实现了更高的操作温度范围和较低的界面电阻，符合工业化应用要求。
图文解读
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图3: 锂阳极上，固体还原性亲电界面solid reductive electrophiles interphase，SREI， Li5.5PS4.5Cl1.5，LPSC的稳定性。
图4: 全固态锂金属电池中，二磷酰氟diphosphoryl fluoride，DPF LPSC的电化学性能。图5: 在电极上，亲电还原策略的应用及其电化学性能。结论展望
总之，本研究通过引入一系列还原性电亲物质，首次在金属–亲核物质之间获得电子和金属阳离子，形成固体还原电亲层（SREI），实现了相界面的设计突破。通过设计电亲物质的结构，在硫化物固态电解质（SSE）颗粒表面生成了高疏锂且能屏蔽电子的全无机LiF–LixPyOzF SREI层，显著提高了其在阴极和阳极的电化学稳定性。值得注意的是，SREI保护的固态锂金属电池（ASSLMBs）展示了卓越的耐久性，在中等负载量（1.3 mAh cm−2）下可达4500个循环，在高负载量（7.1 mAh cm−2）下也能维持超过600个循环。为了验证其应用性，SREI还被应用于金属氧化物阴极，进一步拓展了其工作电压范围。这些研究结果为广泛材料的保护开辟了新途径，具有重要的应用前景，不仅在先进电池领域，而且在其他电化学材料和器件中也具有潜在意义。 Zhang, W., Wang, Z., Wan, H. et al. Revitalizing interphase in all-solid-state Li metal batteries by electrophile reduction. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02064-yw
文章来源：纳米人
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