固态电池处于下一代储能技术前沿，但其应用受限于锂与固态电解质（SSE）界面不稳定性。锂剥离时界面形成微小空隙，导致接触丧失；沉积时则引发枝晶不可控生长。核心问题在于电流聚焦——锂|SSE界面电流密度分布不均（图1a–d），这源于杂质、空隙、晶界或表面粗糙度等微观缺陷。局部“热点”加剧锂离子剥离不均，快速降低界面稳定性。近年来，已提出多种缓解策略：施加堆叠压力或提高温度、清洁抛光SSE表面、引入界面改性。其中，界面层（ILs）尤为有效。离子液体可显著降低电压极化，使锂在高电流密度（>1 mA cm-2）和大面容量（>1 mAh cm-2）下实现更长循环。这些改进常被归因于锂亲和性增强及界面电阻降低，但未解释电流聚焦效应——实际条件下该效应主导了界面不稳定性。因此，离子液体调控锂传输、实现稳定循环的根本机制仍不清楚。

【工作简介】

锂金属与固态电解质（SSE）界面处的枝晶生长由空洞形成所驱动，这仍是实现锂金属固态电池应用的主要障碍。苏黎世联邦理工学院Kostiantyn V. Kravchyk揭示了一种横向锂离子通量机制，阐明了界面层（ILs）如何沿Li|SSE界面抑制空洞形成，从而阻止枝晶生长。以Li3Sb为模型界面层、Li7La3Zr2O12为基准固态电解质，我们直接可视化并量化了横向锂离子传输过程，证明界面层通过分散局部电流密度来缓解空洞形成。该机制不仅解释了功能化界面层的循环稳定性，也为设计安全、高能量密度的锂金属固态电池提供了设计原则。相关成果以“Suppressing Dendrites via Lateral Lithium Flux in Li Metal Solid- State Batteries”为题发表在《Energy Environmental Science》上。

【研究内容】

图1. 基于(a)污染、(c)裸露和(e)离子液体功能化固态电解质（SSE）表面的不同Li|SSE界面示意图。

本文提出，离子液体（IL）需满足三个条件：锂化/脱锂电位接近Li+/Li电位；工作条件下可逆锂化/脱锂；锂化后兼具离子与电子导电性（混合离子-电子导体，MIEC）。因此，锂化石墨、Li-Mg、Li-Sb、Li-Si等负极材料均可作为候选。图1e-f展示了通过横向锂离子通量消散电流的概念。以锂剥离为例，电流聚焦发生在Li|IL|SSE界面局部区域。局部锂耗尽不是起因，而是动态结果：热点处锂提取速率超过补充速率，导致瞬时耗尽，驱动IL局部氧化，形成脱锂区（更高电化学势）。由此产生两种传输：一是化学势差驱动锂原子扩散（图1f蓝虚线），包括横向流动；二是氧化还原电位差驱动锂离子电化学迁移（蓝实线）。平衡时IL稳定（图1b），但电流聚焦增强局部电势，驱动非平衡脱锂。具体机制：锂在Li|IL界面氧化生成Li+和电子，电子经锂或锂化IL迁移，Li+经锂化IL或SSE体相横向流动，向脱锂区补充锂，缓解热点空洞。该过程使锂从更大面积的SSE表面被提取，但SSE内部锂离子通量仍集中于热点（图1f）。

图2. Li|Li3SbIL|SSE界面处侧向锂离子通量的可视化。

为验证电流聚焦概念，我们设计实验直接监测锂与锑（Sb）薄膜间的横向反应动力学。Sb是Li|SSE界面常用界面层（图2），因其满足MIEC条件、电位接近锂，且锂化后Li2Sb/Li3Sb合金与原始Sb颜色差异明显。采用LLZO为基底，其化学稳定性确保反应仅归因于Sb锂化。实验步骤：在LLZO上溅射10 nm Sb膜，冷等静压覆锂箔，加热至25–275°C，监测表面颜色变化（图2a）。合金区域横向扩展，GIXRD证实为Li3Sb和Li2Sb。如图2b，过程包括：锂向Li2Sb|Li3Sb界面扩散生成Li3Sb（Rx1），同时向Li2Sb|Sb界面迁移生成Li2Sb。非锂离子导电基底上横向扩展被显著抑制（图2c），表明横向通量主要源于氧化还原电位差驱动Li+通过LLZO迁移，而非化学势差。机制类似电池自放电：锂在Li|SSE界面氧化为Li+和电子，电子经Li3Sb至Sb，Li+经SSE传输，在Sb|LLZO界面再结合驱动锂化。通过追踪Li3Sb和Li2Sb区域扩展速率（x1, x2），量化总横向锂离子通量（图2d）。通量随温度升高而加速，支持机制稳健性。扣除锂原子扩散贡献（<5%，图2e），主因是氧化还原电位差（ESb/Li≈0.90 V，E Li2Sb/Li≈0.85 V）。利用欧姆定律估算LLZO中锂离子传输有效厚度为0.25–1.5 μm（图2f），75°C时横向电流密度约47 mA cm-2（图2e）。

图3. 横向锂离子通量的评估。

为更准确估算实际对称电池中的横向电流密度，我们模拟了50 mA cm-2下Li|Li3Sb(Sb)|LLZO|Li体系的锂离子通量。假设LLZO上20 nm厚Li3Sb中间层中心10 nm区域完全氧化为Sb，利用FEniCS进行有限元建模（图3a、b）。模型揭示了通量横向分量来源于锂覆盖表面与局部锂耗尽（Sb）区间的氧化还原电位差，在LLZO内产生显著横向锂离子电流，使通量重新分布远离热点。分析表明，锂通量在耗尽区周围约1 μm深度处达峰值，向4 μm处降低（图3d）。对半径1.5 μm柱状表面电流密度积分（图3c），得总横向电流约29 μA。计算得锂耗尽Sb区的锂化速率：施加电流移除后，最快约10 ns完成，表明电流密度均匀化可在纳秒尺度实现。离子液体部分氧化为Li3Sb的模拟结果类似。

为验证IL在均化Li|LLZO界面及抑制空洞方面的有效性，制备了有/无IL的Li|LLZO|Li对称电池，采用45 μm厚LLZO膜。75 °C下，Li3Sb|LLZO界面电阻约0.13 Ω cm2，总电阻1.3 Ω cm2。临界电流密度（CCD）测试表明：无IL电池准稳定剥离仅维持至12 mA cm-2，CCD为16 mA cm-2；含Li3Sb IL的电池可维持至约40 mA cm-2，CCD高达70 mA cm-2（图4），证明IL在均匀化电流分布和抑制空洞方面效果显著。由于锂贫化区为纳米尺度瞬态，直接观测困难，机理解释主要基于合金相横向扩展、通量分析及与电化学、模拟结果的一致性等间接证据。

图4. 带有和不带有IL的Li|LLZO|Li对称电池的CCD测量结果。

图5. 带有和不带IL的Li|LLZO|Li对称电池的循环稳定性。

尽管该机制主要在锂剥离过程中激活，但其影响延伸至后续沉积。剥离产生的孔隙先于枝晶生长，横向锂传输通过缓解局部消耗、维持界面接触，降低沉积时的电流不均匀性，抑制枝晶成核。镀锂时，中间层已富锂，不显著进一步锂化，而是通过促进离子/电子通量均匀分布来稳定沉积。为评估Li3Sb作为LLZO与锂之间界面层（IL）的效果，对含与不含Li3Sb的Li|LLZO|Li对称电池进行恒电流循环测试（无外加压力）。初始电流密度0.1–2 mA cm-2，逐步增至无IL电池3 mA cm-2、有IL电池4 mA cm-2，面容量≤1 mAh cm-2。如图5a所示，无Li3Sb的电池在3 mA cm-2下仅几圈循环后便出现明显电压极化并短路，归因于界面空隙（图5b-c）。相比之下，含Li3Sb的电池在4 mA cm-2下保持稳定过电位超过900小时，累计容量>3400 mAh cm-2，无极化现象（图5d）。FIB-SEM证实循环后锂与Sb覆盖的LLZO保持良好共形接触（图5e-f）。EIS测量（图5g）显示，总电阻在3000次循环内始终低于4 Ω cm2，表明Li3Sb显著抑制了空隙形成。Li3Sb IL的稳定性体现在：其形成能低，抑制Sb向锂中扩散（不同于Li-Ag或Li-Mg合金）；尽管电子导电性高，但未导致锂在IL|SSE界面沉积取代IL。EDS显示沉积后Sb仍保留在LLZO表面，证明中间层稳定。在全固态全电池（NMC811正极，LPSCl正极电解质）中，估算能量密度约为163 Wh kg-1和611 Wh L-1，提高NMC811负载量（25 mg cm-2）后可提升至250 Wh kg-1和700 Wh L-1。

【工作总结】

本研究揭示了锂金属阳极在长期循环中，通过离子液体（ILs）实现横向锂通量驱动的Li|固态电解质（SSE）界面电流分散机制。以Li3Sb作为模型混合离子-电子导电离子液体，LLZO作为基准固态电解质，我们直接可视化并量化了横向锂传输过程，发现其可重新分布电流密度，抑制空洞形成，并防止枝晶萌生。有限元模拟证实，固态电解质内部由氧化还原驱动的锂离子输运可在纳秒尺度上产生强横向电流，快速均化Li|IL|SSE界面。采用特定离子液体的对称Li|LLZO|Li电池在电流密度高达4 mA cm-2、面容量限制为1 mAh cm-2时，无需施加压力即可稳定循环超过900小时，且达到临界电流密度超过70 mA cm-2。更广泛而言，利用横向锂通量实现电流分散的概念，为基于氧化还原驱动横向锂传输进一步设计Li|SSE界面提供了理论框架，最终有望开辟一条通往本质安全型锂金属固态电池的新路径。更广泛地说，这项工作建立了一个基于氧化还原驱动的横向锂离子传输来理解和设计界面层的机理框架。

【文献信息】

Huanyu Zhanga, Faruk Okura, Matthias Klimpel, Julian F. Baumgärtner, Jaka Šivavec, André Müller, Ihor Neporozhnii, Orhan Kibrisli, Oleksandr Voznyy, Yaroslav E. Romanyuk, Maksym V. Kovalenko*, and Kostiantyn V. Kravchyk*. Suppressing Dendrites via Lateral Lithium Flux in Li Metal Solid- State Batteries, Energy Environmental Science, 2026, 

https://doi.org/10.1039/D6EE02327D.