金属插层稳定锂沉积/剥离机制：无负极固态锂金属电池界面设计新突破

为解决无负极固态锂金属电池(AL-SS-LMBs)中固态电解质(LLZO)与电极界面不稳定的难题，研究人员通过Ag/Au/Zn/Cu金属插层调控Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZO)界面化学，发现Ag插层通过Li-Ag合金相分离形成Li9Ag抑制枝晶生长，实现962次稳定循环。该研究为高能量密度固态电池界面设计提供理论指导。

　　

锂金属电池(LMBs)因其理论能量密度远超商用锂离子电池(LIBs)被视为下一代储能技术，但液态电解质的易燃性导致严重安全隐患。固态电解质(如LLZO)虽能解决安全问题，却面临无负极设计(AL-SS-LMBs)中锂沉积不均匀、界面接触失效等挑战。更棘手的是，锂金属在反复沉积/剥离过程中会产生枝晶和"死锂"，最终引发电池短路。这些瓶颈使得无负极固态电池的商业化步履维艰。

为攻克这一难题，韩国研究人员在《Nature Communications》发表突破性研究，通过金属插层界面工程揭示了Ag插层诱导稳定锂沉积的原子机制。研究团队采用多尺度原位表征技术，首次捕捉到Li-Ag合金动态相变过程，发现Ag插层通过形成纳米级Li₉Ag相分离结构，实现锂金属在固态界面的均匀沉积，最终构建出循环寿命达962次的高性能无负极电池。

关键技术方法包括：1）原位SEM/XPS/XRD联用技术实时追踪锂沉积形貌/化学态演变；2）冷冻电镜(cryo-TEM)解析Li-Ag合金纳米结构；3）第一性原理计算预测合金相稳定性；4）采用Li_6.5La₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂(LLZO)固态电解质构建半/全电池体系。

结果部分核心发现：

金属插层的电化学行为差异

通过对比Ag/Au/Zn/Cu插层电池发现：Cu插层因无法合金化导致锂柱状生长，库仑效率仅20%；Au插层虽形成Li-Au合金但发生界面分层；而Ag插层通过γ-黄铜型相变(β→γ₃→γ₂)最终生成亚稳态Li₉Ag，实现86%的高库仑效率。

Li-Ag合金的相分离机制

原位XRD发现Ag插层经历五步相变：β-LiAg→γ₃-Li₉Ag₄→γ₂-Li₁₀Ag₃→Li₉Ag→γ₁-Li₂Ag。冷冻电镜显示Li₉Ag纳米颗粒嵌在锂基体中形成自组装结构，这种类似调幅分解(spinodal decomposition)的相分离为锂沉积提供均匀成核位点。

枝晶抑制的化学本质

XPS证实Ag插层表面Li沉积物含20%Ag，形成Ag固溶体锂。原位TEM直接观察到Ag原子向锂枝晶扩散并重构其形貌的过程，证实Ag溶解可破坏锂晶体的择优取向生长，这与Zn/Au插层形成纯锂枝晶形成鲜明对比。

研究结论与意义

该研究首次阐明金属插层在固态电池中的三重作用机制：1）Ag插层通过γ-黄铜型相变缓冲体积膨胀；2）Li₉Ag相分离结构提供快速锂扩散通道；3）Ag固溶体改变锂沉积结晶学行为。这种"合金相变-相分离-固溶体"协同效应，使得Ag插层电池在0.9mA cm^-2电流密度下仍保持稳定循环，为无负极固态电池设计确立材料选择准则（Ag>Zn>Au>Cu）。

这项工作通过多尺度原位分析技术，将传统合金化学与固态电化学深度融合，不仅解决了锂金属固态界面失控生长的难题，更开创了通过调控亚稳态相变优化电极界面的新范式。特别是发现非平衡态Li₉Ag的关键作用，为发展新型合金缓冲层材料提供理论框架，推动固态电池从实验室走向产业化。