JACS：全固態鋰電池界面的原位納米可視化！

鋰沉積的位置及其在固態電解質（SSE）-鋰負極界面的動態演化過程，對全固態電池的性能具有決定性影響。

然而，由于對埋藏界面進行實時納米尺度觀測存在技術挑戰，這些過程的納米級機理至今尚不明確。

2026年1月2日，中國科學院化學研究所文銳、Zhen-Zhen Shen在國際知名期刊Journal of the American Chemical Society發表題為《Tracing Lithophilic Sites: In Situ Nanovisualization of Their Migration and Degradation in All-Solid-State Lithium Batteries》的研究論文，Zhen-Zhen Shen為論文第一作者，文銳、Zhen-Zhen Shen為論文共同通訊作者。

本研究采用原位電化學原子力顯微鏡技術，直接觀測親鋰層調控下的界面演化行為，揭示了兩種由界面原位生成固體電解質界面相（SEI）主導的不同失效路徑。

原位成像顯示：金（Au）層在鋰沉積過程中形成Li-Au金屬間化合物，引導鋰在其表面形成球形沉積，從而減少鋰與SSE的直接接觸。

這減緩了SSE的分解，形成以Li2S/Li2O為主的惰性SEI，促使后續循環中鋰在無SEI覆蓋區域發生再沉積；而銀（Ag）層則形成Li-Ag固溶體，在沉積過程中始終與SSE保持直接接觸，加速了SSE分解，形成以Ag2S為主的親鋰性SEI。

在剝離過程中形成的界面孔隙，使得鋰優先在富含SEI且無孔隙的區域再沉積。

這兩種親鋰演化路徑均導致循環過程中SEI不斷累積和界面親鋰性逐步喪失。

通過在Ag層與SSE之間插入Au中間層，可有效抑制SSE分解，阻止親鋰位點遷移，從而提升電池循環性能。

本研究揭示了固態電池中界面退化的根本機制，為設計穩定的金屬鋰負極提供了新的策略。

全固態電池（ASSBs）采用鋰（Li）金屬負極，因其高安全性和高能量密度，被認為是有前景的下一代儲能系統。然而，鋰負極-固態電解質（Li-SSE）界面的動態穩定性仍然是關鍵性能瓶頸。在鋰沉積過程中，鋰傾向于在接觸電阻低的位置優先沉積。鑒于鋰原子的固相擴散速率本質上較慢（~10-10 cm2 s-1），這種優先沉積容易導致局部鋰累積和非均勻鋰生長。盡管提高外加過電位或外部壓力可以增強電化學驅動力或改善接觸，從而增加有效鋰沉積位點，但隨后的剝離過程同樣會優先在現有接觸點發生反應。這一過程會不可逆地誘導界面處形成空洞，破壞原始接觸結構。此外，沉積鋰的演化受到其表面原位形成的固態電解質界面相（SEI）理化性質的關鍵影響。金屬鋰與SSE之間非保形接觸使得原位SEI的形成與演化更加復雜，進一步加劇了界面動態的復雜性。因此，鋰沉積起始于空間異質位點，其在循環過程中的后續演化在很大程度上難以預測，給實現整個過程的精確控制帶來了重大挑戰。

綜上，該研究利用原位電化學原子力顯微鏡（EC-AFM）等先進技術，直接可視化了全固態鋰電池中親鋰界面在循環過程中的納米尺度動態演化行為，揭示了兩種典型親鋰金屬——金（Au）和銀（Ag）截然不同的界面退化機制。

研究發現，Au層在鋰沉積過程中形成Li-Au金屬間化合物，引導鋰以球形方式在其頂部沉積，有效隔絕了鋰與固態電解質（SSE）的直接接觸，從而減緩了SSE的分解，形成了以惰性的Li2S/Li2O為主的固體電解質界面（SEI）。

然而，在后續剝離-再沉積循環中，這層SEI會包裹住親鋰的Au合金，迫使鋰優先在無SEI覆蓋的新區域沉積，導致界面接觸逐漸喪失。

相比之下，Ag層則形成Li-Ag固溶體，使沉積的鋰能持續與SSE保持接觸，這雖然促進了均勻沉積，卻也加劇了SSE的分解，形成了富含高親鋰性Ag2S的SEI。

但在剝離過程中，界面會形成孔洞，使得再沉積的鋰被重新導向至富含SEI且無孔洞的區域。

這兩種路徑最終都因SEI的不斷累積和親鋰位點的遷移或失活，而導致界面性能持續惡化。

為解決這一根本問題，研究者創新性地提出在Ag層與SSE之間插入一層Au作為中間層，成功抑制了SSE的分解，穩定了親鋰位點，顯著提升了電池的循環性能。

Tracing Lithophilic Sites: In Situ Nanovisualization of Their Migration and Degradation in All-Solid-State Lithium Batteries,

J. Am. Chem. Soc.

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