锂金属电池被认为是潜在的下一代高能量密度电池，然而，由于与电解液反应生成的固态电解质界面脆弱，引起库仑效率低和锂枝晶生长等问题，导致电池快速失效，限制了其商业应用。
在此，上海交通大学王久林研究员团队通过Li-Sb合金化在金属锂上设计了一种合金/Li3N双保护层来保护锂金属负极。下层的Li3Sb层可以调节电场分布，降低Li+成核过电位，而上层的Li3N层显示出较高的Li+导电率和较低的能量势垒，以实现Li+快速迁移和良好的机械强度。当锂金属负极与S@pPAN正极匹配时，它表现出更优异的循环性能（超过1000次循环）和倍率性能（5C下容量为1160.6mAh g−1）。相关成果以“Artificial Alloy/Li3N Double-Layer Enabling Stable High-Capacity Lithium Metal Anodes”发表在ACS Applied Energy Materials上。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsaem.1c02766
锂金属负极由于其高理论能量密度(3860mAh g−1 )以及最低的电化学电位(−3.04 V vs标准氢电极）而被视为潜在的高能量密度锂金属材料，然而，金属锂作为负极仍面临着一些挑战，限制了其实际应用。金属锂与传统电解液会产生不良副反应，来自不均匀形核位置的锂枝晶生长可能会导致电池短路甚至爆炸，副反应和锂枝晶问题将加速电解液的消耗，并造成低库仑效率和较差的循环性能。
固态电解质界面膜（SEI）在锂沉积过程中起着重要作用，理想的固态电解质界面膜应具有以下特性：良好的离子导电性，以确保锂离子快速迁移；对电解质的高电化学稳定性；足够的机械强度，以确保循环过程中负极的完整性；以及一定的弹性，以缓解局部应力。目前研究者已经采取了广泛的方法来制备良好的固态电解质界面膜，例如筛选锂盐、溶剂和电解质添加剂、设计锂合金负极以及构建人工固态电解质界面膜。Li−M（“M”指除锂以外的金属）合金相可以为Li+提供大量的形核位置，从而引导Li+均匀有序的分布。Li3N保持良好的机械强度，高Li+电导率(室温下10−3S cm−1)，且锂离子扩散的能量势垒极低（0.007−0.038 eV），有利于锂离子快速迁移和均匀沉积。
作者通过在金属锂上设计合金/Li3N双层保护，提出了一种复合锂金属保护方法，通过SbCl3的交换反应形成一个下层的Li−Sb合金层，并进一步进行氮化处理以形成上层均匀的Li3N层，构建的电子/Li+导电层确保了在固体−液体界面上优异的电极反应动力学。
下层Li−Sb合金层可以有效地降低Li+成核过电位，以实现均匀的锂沉积行为，而上层Li3N层由于其优良的Li+导电性和低势垒，可以实现快速的Li+迁移。此外，这两层都保持良好的机械强度，有效地缓解了循环过程中的体积变化。即使在相当大的面容量（10mAh cm−2）下，复合保护层也能协同实现无锂枝晶长循环。LSN|S@pPAN电池在0.5C下循环200次后，表现出优异的循环稳定性，容量保持率达到90.8%，平均库伦效率超过99.9%。这项工作为构建稳定的锂负极和高效的锂金属电池提供了一种巧妙的方法。（文：李澍）
图1 (a) LSN电极结构示意图以及LSN电极的形貌和结构特征，(b-d)LSN电极的SEM图像和EDX图,(e) LSN电极和纯锂电极的XRD图,(f, g) LSN电极的高 分辨光谱
图2 不同电流密度和固定面容量下电池的恒流循环电压分布
图3 原始锂电极和LSN电极循环前后的横截面SEM图
图4 原始Li和LSN的过电位和SEM形貌
图5 锂沉积在LSN电极上的示意图
图6 LSN|S@pPAN和Li|S@pPAN电池的电化学性能
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