胡良兵AEM：不同电池基底上锂钠合金的通用焊接策略

【引言】

金属锂电池由于其最低的还原电势和超高的理论比容量，在未来能量储存领域中有广阔的应用前景。然而，锂枝晶生长以及液体有机电解质的易燃性等问题，严重威胁了金属锂电池的安全使用。因而其中最有效的策略是使用不易燃且机械强度良好的固态电解质(solid-state electrolytes, SSEs)，以此抑制锂枝晶的生长。

在如此众多的SSEs当中，立方石榴石相SSEs优势明显，因为其具有良好化学稳定性、高离子导电率和宽电化学电势窗口。应用石榴石基固态金属锂电池的一个主要挑战是，石榴石固态电解质和电极材料之间表面接触十分不好。金属锂和石榴石陶瓷片之间的直接接触一般会造成接触不良以及较大的表面阻抗，通过添加聚合物界面或者施压，界面将有所改善，但阻抗仍然十分高。

【成果简介】

近日，来自马里兰大学的胡良兵副教授在著名期刊Advanced Energy Materials上发表了题为”Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries”的论文，第一作者为王成威博士，共同第一作者为在读博士生谢华。该文章报道了一种通用焊接技术，可以快速地将熔融的金属锂或金属钠涂覆在不同的基底上用于固态电池和其他应用领域。通过添加合金成分，熔融锂的表面能和粘性都增加了。富锂的熔融合金在陶瓷、金属和聚合物等基底上展示了良好的浸润性。将该焊接涂覆技术应用于固态电池中时，熔融的锂锡合金在10秒内成功涂覆在刚打磨完的石榴石陶瓷片上，如快速的焊接过程一般。SEM图证实了合金和石榴石表面的紧密接触，其界面阻抗只有7Ω cm²。锂的嵌入-脱出循环测试证实了富锂合金负极和石榴石SSEs界面接触的稳定性。同样的浸润性现象在钠基熔融合金和钠锡合金应用于氧化铝基底上时亦有观测。

【图文导读】

图一：焊接锂以及锂合金在基底上的示意图。

a) 纯熔融锂在固体基底上浸润性很低；

b) 锂合金可以轻易焊接在基底上有更好的接触。

图二：锂锡合金在陶瓷基底上的浸润性。

a) 在氧化铝基底上不同锡比例的锂锡合金的浸润性；

b) 锂锡合金有效地熔接在石榴石SSE陶瓷片上；

c) /d) 不同分辨率下锂锡合金的SEM截面图。

图三：固态对称电池的电化学测试。

a) EIS阻抗图；

b) 循环前和循环过程中的EIS阻抗图；

c) 锂锡/石榴石/锂锡对称电池在嵌入-脱出循环中的电压分布图。

图四：嵌锂-脱锂过程中锂锡/石榴石/锂锡对称电池的形态和表面表征。

a) 对称电池的示意图；

b) 锂锡合金涂覆石榴石前的SEM截面图；

c) 锂锡合金涂覆石榴石后再嵌锂的SEM截面图；

d) c图中的EDS图；

e) 锂锡合金涂覆石榴石前的SEM截面图；

f) 锂锡合金涂覆石榴石后再脱锂的SEM截面图；

g) f图中的EDS图。

图五：不同基底上熔接的合金。

a) 有良好浸润性的二元合金XRD图；

熔融锂熔接在b)钛箔和c)聚酰亚胺薄膜上；

d) 熔融钠在氧化铝基底上；

熔融锂锡合金涂覆在e)钛箔和f)聚酰亚胺薄膜上；

g) 熔融钠锡合金熔接在氧化铝基底上。

【小结】

通过在熔融锂和钠中添加合金成分，进行了表面能和负极粘性的调控，因此可以直接熔接合金在不同的基底上。锂锡合金能够在10s内熔接在石榴石SSEs的表面并有良好的紧密接触。这种合金能有效减少石榴石相SSE的表面阻抗直至7Ωcm²。电化学测试证实了表面和合金电极在长时间和高容量测试中的稳定性。为了探究该合金基熔接技术的用途广泛性，其他锂二元合金亦有研究，在金属、陶瓷和聚合物基底上也展示了类似的浸润性。并且，该熔接技术可以迁移到熔融钠合金体系中，钠锡合金也被成功涂覆在氧化铝基底上。

（1）团队介绍；

马里兰大学的胡良兵老师的团队一直致力于基于石榴石的固态锂金属电池的研究。相关研究受到美国能源部的RAPA-e和美国国家航空航天局（NASA）等机构的多期支持。

（2）团队在团队在该领域该领域工作汇总：

在此之前，胡良兵老师的团队已经研发出了一系列基于表面涂层技术的用于提高熔融锂金属和石榴石固态电解质界面的工作。相关研究成果发表在包括Nature Materials, Nano Letters, JACS, Science Advances等众多国际知名杂志上。

（3）相关优质文献推荐：

Han, X., Gong, Y., Fu, K. K., He, X., Hitz, G. T., Dai, J., ... & Mo, Y. (2017). Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries. Nature materials, 16(5), 572-579.

Wang, C., Gong, Y., Liu, B., Fu, K., Yao, Y., Hitz, E., ... & Wachsman, E. D. (2016). Conformal, Nanoscale ZnO Surface Modification of Garnet-Based Solid-State Electrolyte for Lithium Metal Anodes. Nano letters, 17(1), 565-571.

Luo, W., Gong, Y., Zhu, Y., Fu, K. K., Dai, J., Lacey, S. D., ... & Wachsman, E. D. (2016). Transition from superlithiophobicity to superlithiophilicity of garnet solid-state electrolyte. Journal of the American Chemical Society, 138(37), 12258-12262.

Fu, K. K., Gong, Y., Liu, B., Zhu, Y., Xu, S., Yao, Y., ... & Chen, Y. (2017). Toward garnet electrolyte–based Li metal batteries: An ultrathin, highly effective, artificial solid-state electrolyte/metallic Li interface. Science Advances, 3(4), e1601659.

文献链接: Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries (Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201701963)

本文由材料人新能源学术组Jespen供稿，材料牛整理编辑。

参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！