合金基负极，特别是铟（In）负极，因其无枝晶特性和稳定负极界面的能力，正成为实现全固态锂电池（ASSLBs）长循环寿命的有前景的候选材料。然而，其在应用中仍受到铟负极在高电流密度和高面容量下失效的限制，而对潜在失效机制的不完全理解限制了优化策略的制定。

2026年2月2日，宁波东方理工大学孙学良、王长虹、李维汉在国际知名期刊Advanced Energy Materials发表题为《Unraveling Failure Mechanism of Indium Anodes in all-Solid-State Batteries》的研究论文，Haoqi Ren为论文第一作者，孙学良、王长虹、李维汉为论文共同通讯作者。

本文中，作者采用先进的表征技术，系统地研究了铟负极在高电流密度和高面容量下的失效机制。作者的研究结果表明，合金化和脱合金化过程涉及一种电-化学-机械耦合的失效机制，并进一步加剧了性能的退化。通过阐明这些失效机制，作者的工作为通过原子层沉积（ALD）技术涂覆Al2O3保护层以增强全固态锂电池中合金负极的界面稳定性和性能，提供了关键见解和合理的表面保护策略。在0.5 mA/cm²的电流密度下，Li/In非对称电池的最大循环容量从0.2 mAh/cm²提高到2 mAh/cm²（超过200次循环）。这项工作为开发耐用、高能量密度的电池铺平了道路。

全固态锂电池（ASSLBs）因其相对于使用液体电解质的传统锂离子电池具有更高的安全性和更高的理论能量密度，已成为一项重要技术。在过去十年中，得益于高离子电导率固体电解质的发展，研究界在这一领域取得了巨大进展。在所有负极候选材料中，被誉为“圣杯”级负极材料的锂金属负极，展现出超高的理论容量（3860 mAh/g）和最低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为-3.04 V），这是制造高能量密度全固态锂电池所必需的。然而，锂金属负极面临着巨大挑战，包括与固体电解质（SSEs）的剧烈界面反应以及锂枝晶的生长。这些问题导致了电化学性能的快速衰退、内部短路，并最终导致电池失效。为应对这些挑战，合金型负极作为一种有前景的替代方案应运而生，其具有高理论容量和抑制枝晶生长的特性。

在各种合金中，铟（In）合金脱颖而出。尽管铟的高电位可能导致全电池的能量密度较低，但由于其优异的机械延展性，铟负极仍然是实验室中最受欢迎的选择。这种延展性确保了负极与电解质界面的紧密接触，从而降低了界面电阻。此外，铟合金的高充放电平台可以减缓锂枝晶的形成，从而延长全固态锂电池的循环寿命。这些特性使铟合金负极成为克服锂金属负极局限性的一个引人注目的选择，并有助于推进对负极与固体电解质之间相互作用的基础理解。

然而，由于枝晶生长和表面退化，铟负极在高电流密度和高容量负载下表现出快速的容量衰减。尽管在优化锂-铟合金负极方面已取得一些发现，但铟负极中枝晶形成的潜在机制仍未得到充分理解。例如，Luo等人证明，在高电流密度和高负载下，锂-铟枝晶会因界面反应而沿着晶界生长，并最终导致短路。此外，还有研究强调，界面上载流子从锂离子到锂原子的转变会导致在表面形成富锂相，并减缓扩散过程。简而言之，以往的研究主要集中在负极-固体电解质界面的稳定性上，而合金化和脱合金化过程对负极稳定性的影响受到的关注有限。此外，研究枝晶生长的实验通常采用超过固体电解质临界极限的电流密度来观察枝晶行为，这忽略了在实际应用中与长期循环条件相关的枝晶生长机制。再者，软击穿行为作为影响全固态锂电池工作寿命的另一个关键因素，也尚未得到深入研究。因此，全面理解负极失效的根源对于推进合金负极的基础知识和实现其在全固态锂电池中的界面设计至关重要。

在这项工作中，作者通过构建Li/Li6PS5Cl (LPSC)/In非对称电池，系统地研究了在不同电流密度和面容量下铟负极的失效机制。作者利用扫描电子显微镜（SEM）揭示了由高电流密度和高面容量驱动的失效机制。在高面容量条件下，铟负极与固体电解质发生严重的界面反应，并因不均匀的锂沉积产生的应力而粉化。在高电流密度下，通常首先发生软短路，其逐渐累积最终导致全固态锂电池的硬短路。如图1所示，这种行为可归因于界面扩散势垒和负极中锂原子的有限迁移率。基于这些内在的失效机制，通过原子层沉积（ALD）涂层对铟负极进行界面修饰的策略显著改善了非对称电池的电化学性能。引入保护层显著改善了Li/In非对称电池在0.5 mA/cm²下的性能，将容量从0.2 mAh/cm²提高到2 mAh/cm²，并实现了至少200次循环的稳定运行。此外，LCO/LIC/LPSC/Li-In全电池的寿命延长至未涂层电池的两倍。这项工作为合金负极的失效机制提供了新的见解，并为开发更有效的负极-固体电解质界面设计做出了贡献。

图1 铟合金负极失效机制示意图。

图2 Li/LPSC/In非对称电池在不同循环面容量和不同电流密度下的电化学性能。(a) 非对称电池在0.1 mA/cm²下以0.2 mAh/cm²容量循环的性能。(b) 非对称电池在0.1 mA/cm²下以1 mAh/cm²容量循环的性能。(c) 非对称电池在0.1 mA/cm²下以5 mAh/cm²容量循环的性能。(d) Li-In非对称电池在0.2 mAh/cm²容量下，分别以0.2, 0.5, 和 1 mA/cm²电流密度循环的性能。(e) 显示Li-In非对称电池稳定性的失效机制图（蓝色区域：稳定循环；黄色区域：高极化缓慢失效；绿色区域：软短路快速失效；红色区域：超快硬短路失效）。(f) 不同电化学行为下累积容量（寿命）的电化学图。(g) Li-In非对称电池在0.2 mAh/cm²容量下，分别以0.2, 0.5, 和 1 mA/cm²电流密度循环时，不同累积面容量下的电压差变化。

图3 铟负极的形貌演变。(a) 循环前LPSC-In的截面SEM图像。(b) 在0.1 mA/cm²–1 mAh/cm²条件下循环后的LPSC-In截面SEM图像（累积面容量为10 mAh/cm²）。(c) 在1 mA/cm²–0.1 mAh/cm²条件下循环后的LPSC-In截面SEM图像（累积面容量为10 mAh/cm²）。(d) 高面容量和高电流密度下形貌演变示意图。

图4 铟负极中的不均匀沉积。(a) 纳米压痕SEM装置示意图。(b) 对原始铟不同位置进行的纳米压痕测试。(c) 镀锂前对铟负极不同位置进行的纳米压痕测试。(d) 对镀有0.1 mAh/cm²锂的铟负极不同位置进行的纳米压痕测试。(e) 对镀有1 mAh/cm²锂的铟负极不同位置进行的纳米压痕测试。(f) 镀有1 mAh/cm²锂后铟负极的截面图像。(g) 镀有5 mAh/cm²锂后铟负极的截面图像。

图5 锂在铟中的扩散限制。(a) 具有不同镀锂容量的Li-In电池的GITT曲线。(b) 在0.2 mA/cm²–0.5 mAh/cm²条件下循环的Li-In电池的温度依赖性循环性能。(c) 在0.5 mA/cm²–0.5 mAh/cm²条件下循环的Li-In电池的温度依赖性循环性能。(d) 在1 mA/cm²–0.5 mAh/cm²条件下循环的Li-In电池的温度依赖性循环性能。(e) 锂从铟负极表面向内部扩散的温度依赖性过程示意图。

在本研究中，作者系统地评估了铟负极在各种电化学条件下的循环性能和形貌演变。高电流密度会促进枝晶生长，导致电池快速失效；而高面容量则会引发裂纹形成和粉化。这些不同的失效模式之所以产生，是因为电化学条件决定了潜在的化学反应，从而导致粉化、枝晶穿透或不受控制的界面反应。

纳米压痕、SEM和GITT分析进一步揭示，失效的根本原因可归类为物理接触不良、扩散限制、机械性能退化和界面不稳定性。因此，通过在高温下运行或引入绝缘界面层来增强锂的扩散能力，可以显著改善电池性能。作者的研究结果不仅阐明了铟负极的内在失效机制，还为优化基于高能量密度合金负极的全固态锂电池提供了实用策略。作者期望这项工作能推动对铟及其他商用合金负极失效机理的基础理解，并为设计更稳健的全固态锂电池结构提供指导。

Unraveling Failure Mechanism of Indium Anodes in all-Solid-State Batteries.Adv. Energy Mater.,2026. https://doi.org/10.1002/aenm.202504932

文章来源：每日电池

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