距离外部压力最小的锂金属电池又近了一步

由加州大学圣地亚哥分校和芝加哥大学领导的电池研究团队开发了一种新方法来生产可能改变游戏规则的薄膜固态电解质，称为锂磷氮氧化物(LiPON)。该团队继续在功能电池测试中实施他们的独立式 LiPON 薄膜，发现它在零外部压力下，借助内部压应力和金籽晶层，促进均匀致密的锂金属电化学沉积。这项工作由加州大学圣地亚哥分校和芝加哥大学领导的电池研究团队完成，于 2023 年 8 月 3 日发表在《自然纳米技术》杂志上。

该研究团队由芝加哥大学和加州大学圣地亚哥分校的电池研究员、Ying Shirley Meng教授领导。第一作者是程迪一，刚毕业的博士生。他在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院材料科学与工程项目获得博士学位，目前正在劳伦斯伯克利国家实验室继续他的研究工作。该团队还包括来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员。

LiPON 是一种薄膜固态电解质，可传导锂离子，并显示出与未来锂电池行业的各种电极材料搭配的强大前景。然而，现有的 LiPON 生产方法阻碍了研究人员充分了解这种材料。现在，该团队找到了一种方法来生产这种有前景的独立式固态电解质，从而可以对 LiPON 进行更全面的研究。制造 LiPON 的新方法也为使用这种固态电解质使锂金属固态电池能够在最小的外部压力下工作打开了大门。

LiPON 挑战

LiPON 最初由橡树岭国家实验室的一组科学家于 1992 年开发。尽管过去三十年来不断进行研究，但人们对 LiPON 的内在特性及其相关接口仍然缺乏透彻的了解，阻碍了其前景和发展LiPON材料。导致这种困境的几个因素包括：

LiPON 是一种非晶材料，通过常规的基于衍射的技术几乎无法提供结构信息。

LiPON 对环境空气和电子束敏感，这进一步限制了可用的研究工具。

传统的 LiPON 合成是在固体基底上进行的。这种方法不足以生成用于光谱测量的决定性信号。

LiPON 生产新方法带来新见解

鉴于研究 LiPON 所面临的已知挑战，该团队开发了一种以独立形式生产 LiPON 薄膜的新方法。其结果是一种灵活、透明的独立式 LiPON (FS-LiPON) 薄膜，它与多种光谱技术兼容，与基于衍射的技术相比，这些技术更有可能揭示 LiPON 的独特性能。这一进展产生了新的见解，在《自然纳米技术》关于 LiPON 的界面化学、热性能和机械性能的新论文中进行了描述。见解包括：

固态核磁共振测量揭示了锂金属和 LiPON 之间界面形成的定量视图

差示扫描量热法测量显示 LiPON 的玻璃化转变温度约为 207 摄氏度

纳米压痕测量得出 LiPON 的杨氏模量约为 33 GPa

零外压下均匀致密的锂金属沉积

除了收集有关 LiPON 的新基本见解外，研究团队还在功能电池测试中实施了新型独立式固态电解质。研究小组报告称，借助内部压应力和金籽晶层，薄膜 FS-LiPON 在零外部压力下促进均匀致密的锂金属电化学沉积。这一发现为散装固态电池的界面工程提供了有价值的提示。

基于LiPON的薄膜电池在可穿戴设备和其他紧凑型电子设备中显示出巨大的潜力，具有巨大的市场。Diyi Cheng 等人描述的这项工作中制作的 FS-LiPON 薄膜。《自然纳米技术》杂志对界面化学、离子扩散和界面工程进行了深入讨论，阐明了LiPON材料的基础和应用，并在许多方面有利于锂固态电池的发展。

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