一、研究背景

结合无机固态电解质的固态电池(SSB)技术因其可以使锂金属负极安全使用，且具有快速充电、热稳定的优点，是为电动车提供动力的重要途径。但是，纯锂金属负极因锂的扩散动力学缓慢和蠕变不足等原因，很难满足电动汽车SSB的性能要求。而锂镁二元合金由于其高能量密度、在富锂相中较宽的固溶性以及与金属锂相似的加工工艺，被认为是最有前途的合金负极候选材料之一。

二、成果简介

牛津大学Mauro Pasta等人研究了在锂镁合金体系中，添加银镁石、Li6PS5Cl、硫化物固体电解质后复合材料性能与电化学性能之间的关系。本文合成了三种锂镁合金，并进行显微组织表征，用纳米压痕法量化合金的机械硬度、刚度、附着力和蠕变随镁含量的变化。利用电化学阻抗谱(EIS)和X射线光电子能谱(XPS)研究了镁对界面化学的影响。本文展示了镁的添加在负极的剥离过程有助于接触保持，但其对锂的扩散率产生负面影响，并展示了轻镁合金如何平衡这两种情况，实现高性能锂镁合金负极。

三、创作成果

图1 Li-Mg合金的理化性质

图2 锂镁合金的弹性、塑性和粘塑性等力学性能

图3 电极与电解质界面的电化学和物理化学特征

图4 0、5、10和20%镁含量的镁锂合金的扩散系数测量

图5 对称Li-Mg||Li-Mg电池的电化学特性

图6 不同压力下添加0、1和5%Mg镁锂合金对称Li-Mg||Li-Mg电化学特性

四、总结与展望

本文合成并表征了富锂镁合金，合金中1%的镁含量能够在提高接触保持力的同时，平衡锂扩散性降低的影响，从而在放电过程中增加剥离容量。镁的添加改善了合金的机械性能，如硬度、刚度和抗蠕变性能，这有助于提高电池在循环过程中的结构稳定性。尽管镁含量的增加导致了锂离子扩散性的降低，但合金化带来的综合效应使得轻量级镁合金化是提高固态电池性能的有效途径。

此外，合金化还改变了合金的微观结构和界面化学，有助于形成更稳定的电极-电解质界面。因此，该研究认为，在实际应用中，适度的镁合金化（低于5%）是提高固态锂电池负极性能的有前景的策略。

五、原文链接

Jack Aspinall, Krishnakanth Sada, Hua Guo, Souhardh Kotakadi, Sudarshan Narayanan, Yvonne Chart, Ben Jagger, Emily Milan, Laurence Brassart, David Armstrong & Mauro Pasta. The impact of magnesium content on lithium-magnesium alloy electrode performance with argyrodite solid electrolyte. Nat. Commun. 15, 4511 (2024).  https://doi.org/10.1038/s41467-024-48071-0