宁波东方理工大学（暂名）孙学良院士联合加拿大西安大略大学Tsun-Kong Sham（岑俊江）院士，马里兰大学莫一非教授，以及橡树岭国家实验室刘珏博士在《Nature Nanotechnology》期刊上发表了最新研究成果 “Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries”。共同第一作者：李维汉助理教授，李旻鸶博士，汪硕助理教授，Po-Hsiu Chien博士；通讯作者：孙学良院士, Tsun-Kong Sham（岑俊江）院士,莫一非教授,以及刘珏博士。

该研究团队成功开发出一种具有超离子导电性的空位富集β-Li3N固态电解质，显著提高了电池的循环稳定性和锂枝晶抑制能力。这种β-Li3N固态电解质在25℃下的离子导电率达到了2.14×10-3 S/cm，超过了目前大多数氮化物基电解质。该研究团队还通过同步辐射X射线衍射（SXRD）、中子衍射、扫描透射X射线显微成像（STXM），密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学模拟等技术相结合的方法， 揭示了其空位参与的锂离子快速迁移机制。
另外，这种空位富集β-Li3N不仅对锂金属负极具有绝对的热力学稳定性，而且在干燥空气中展现了优异的环境稳定性，在全固态锂金属电池中的表现非常优异。在锂对称电池中，它展现了高达45 mA/cm2的临界电流密度，并且在7.5 mAh/cm2的大容量下实现了稳定的锂剥离和沉积循环，循环寿命超过2000次。此外，研究人员还将这种空位富集的β-Li3N应用于全固态锂金属电池中，并搭配卤化物固态电解质，LiCoO2（LCO）和高镍LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正极材料，展现出了优异的循环稳定性：在1.0 C的循环速率下，在5000次和3500次循环后分别展示出82.05%的容量保持率（LCO）和92.5%的容量保持率（NCM83）。除此之外，该研究团队同时验证了该材料的高容量特性。紧凑型圆片电池的面积容量达到了约5.0 mAh/cm2，而全固态锂金属软包电池的面积容量也达到了约2.2 mAh/cm2。该研究不仅为全固态锂金属电池的产业化提供了理论和实验依据，也为未来的电动汽车和储能应用提供了新的设计思路。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01813-z