淺析固態(tài)電池現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)

研究背景

迄今為止，鋰離子電池由于具有高能量和功率密度、良好的循環(huán)性和可靠性，在電化學儲能領(lǐng)域占據(jù)無可爭議的地位。然而，由于鋰離子電池性能接近極限，因此研究者們正在深入研究潛在的下一代電池。固態(tài)電池由于其更高的安全性，更高的能量密度和功率密度，更簡易的制備過程成為一種極有潛力的下一代電池技術(shù)。

然而， 固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化仍然面臨許多挑戰(zhàn)。

首先是需要在小的堆棧壓力下才能穩(wěn)定長期運行的復(fù)合固態(tài)電極（特別是正極）的理解、設(shè)計和制備。

第二，開發(fā)穩(wěn)定的高倍率和高容量負極，例如基于鋰金屬或硅。

第三，固態(tài)電解質(zhì)可在優(yōu)化的厚正極結(jié)構(gòu)中提供非常高的離子電導(dǎo)率，以及足夠的穩(wěn)定性和低成本。

第四，活性材料和固態(tài)電解質(zhì)之間的長期穩(wěn)定和低阻抗界面。

第五，更具可持續(xù)性的電池技術(shù)，例如基于鈉或硫轉(zhuǎn)化的固態(tài)電池。此外，固液混合的混合固態(tài)電池概念以及允許擴大規(guī)模和低成本生產(chǎn)。

成果簡介

近日，德國吉森大學Jürgen Janek教授和明斯特大學Wolfgang G. Zeier教授就如何切實實現(xiàn)固態(tài)電池成為潛在的市場產(chǎn)品的最相關(guān)問題發(fā)表看法。該工作以“Challenges in speeding up solid-state battery development”為題發(fā)表在Nature Energy上。

研究亮點

固態(tài)電池作為一種安全穩(wěn)定的高能量高倍率電化學存儲技術(shù)，雖然商業(yè)化前景廣闊，但是仍然面臨長期性能、比功率和經(jīng)濟可行性等問題。本文回顧了具備快速離子傳輸?shù)墓腆w電解質(zhì)以在復(fù)合陰極中提供足夠的離子傳輸?shù)年P(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，作者提出高性能負極對于建立致密的高能量固態(tài)電池至關(guān)重要，而鋰基固態(tài)電池和金屬負極可能不是最終的解決方案。并進一步討論了材料、研究團隊和方法的多樣性是實現(xiàn)長期固態(tài)電池的關(guān)鍵。

圖文導(dǎo)讀

1）復(fù)合材料傳輸和化學機械性能是關(guān)鍵：固態(tài)電極復(fù)合材料是固態(tài)電池概念成功的關(guān)鍵?；钚圆牧显诔浞烹娺^程中發(fā)生的膨脹和收縮，會導(dǎo)致活性材料顆粒和固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的應(yīng)變和相應(yīng)的局部應(yīng)力。復(fù)合陰極的有效離子電導(dǎo)率和有效電子電導(dǎo)率需要很高。未來的固態(tài)電池必須具有完全設(shè)計的電極微觀和宏觀結(jié)構(gòu)，以及定制的正極活性材料顆粒，包含具有更快離子傳導(dǎo)的固態(tài)電解質(zhì)。

圖1. 通用鋰固態(tài)電池示意圖。當今與正極、固態(tài)電解質(zhì)和負極最相關(guān)的材料，及其在能量密度和功率密度方面對電池性能的主要影響。

圖2. 固態(tài)陰極復(fù)合材料中的彎曲效應(yīng)。

2）設(shè)計高性能固態(tài)電解質(zhì)：未來的努力必須側(cè)重于在電池環(huán)境中實現(xiàn)mS?cm–2級別的有效離子電導(dǎo)率，以獲得能夠在實際負載和電流密度下運行或者可以在高溫下運行的固態(tài)電池。除了達到離子電導(dǎo)率極限外，研究人員在潛在應(yīng)用方面還需要考慮材料的成本。典型的方式是設(shè)計離子導(dǎo)體，不是通過增加鋰的濃度，而是改性已知的材料。此外，尋找具有固有更高離子遷移率以及低電荷載流子密度的新型材料似乎是一個可行的未來選擇。

圖3. 根據(jù)鋰含量的固態(tài)電解質(zhì)分類。

3) 對高性能陽極的需求：只有在使用低電位的高容量陽極的情況下，才能獲得與鋰離子電池相當?shù)谋饶芰俊Ｗ蠲黠@的選擇是鋰金屬負極或硅基負極。兩者在充電/放電過程中都體現(xiàn)出巨大的體積變化，因此它們的使用取決于關(guān)鍵機械問題以及許多其他問題的解決。鋰金屬陽極的可靠、可逆和安全運行要求我們克服在固態(tài)電解質(zhì)界面處電鍍和剝離鋰金屬過程中固有的形貌不穩(wěn)定性導(dǎo)致的潛在問題。針對能夠在比能量和功率方面與鋰離子電池競爭的固態(tài)電池，開發(fā)理想情況下具有高比容量、高速率鋰負極或硅負極和無鋰負極將是決定性的。

4）穩(wěn)定的界面、界面相和涂層：設(shè)計固態(tài)電解質(zhì)或添加劑，使形成的界面表現(xiàn)出動力學穩(wěn)定（即不生長的界面層）特性，并降低界面阻抗。開發(fā)液體添加劑。

5）真的需要鋰嗎？：推動鈉固態(tài)電池發(fā)展以減少對Li的需求。需要加強鈉固態(tài)電池的開發(fā)，以使用CAM涂層保護固態(tài)電解質(zhì)，以及尋找和使高性能陽極真正提供有競爭力的替代方案。首先需要找到理想的成分來實現(xiàn)勢能和功率密度的定量分析，以便與鋰固態(tài)電池進行比較。

6）替代正極材料：未來幾年有望在固態(tài)電池的正極轉(zhuǎn)換化學方向上進行更多的研究和開發(fā)。

7）從全固態(tài)到近固態(tài)的混合電池概念：事實上，僅包含固體成分的固態(tài)電池不一定是合理的目標。如果一小部分低粘度添加劑有助于形成更好的界面和界面相，減少孔隙率和高曲折傳輸路徑，那么近固態(tài)電池的整體優(yōu)勢是與全固態(tài)電池接近的。然而，混合動力電池中的新界面是否長期穩(wěn)定，以及混合動力是否會影響安全性是懸而未決的問題。需要深入研究才能提供真實準確的評估。

8）生產(chǎn)和成本：固態(tài)電池本身的設(shè)計需要具有成本效益的工業(yè)材料加工和電池制造。固態(tài)電池的成本優(yōu)勢需要探索和指導(dǎo)。最后，為了實現(xiàn)長期可持續(xù)性，需要全面發(fā)展固態(tài)電池的回收利用。

圖4. 鋰金屬陽極的關(guān)鍵問題。

總結(jié)與展望

9）多樣性是關(guān)鍵：要真正發(fā)揮固態(tài)電池的潛力，材料以及方法的多樣性是其全面發(fā)展的關(guān)鍵。固態(tài)電池的研究和開發(fā)在過去幾年中取得了巨大的增長，并且固態(tài)電池目前的局限性有了更深入的理解。但對于未來大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池電池來說，仍然需要回答和解決一些既老又新的問題和挑戰(zhàn)。圖5顯示了這些目前已知的問題和潛在的緩解策略。

首先，需要通過具有低固態(tài)電解質(zhì)分數(shù)的厚陰極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高能量密度。全固態(tài)的陰極不能達到所需的性能，可以使用混合電解質(zhì)或甚至LE作為陰極電解液。如果在室溫下動力學不充分，在稍微升高的溫度下操作雖然可能不適用于電動汽車，但是可能是某些應(yīng)用領(lǐng)域的選擇。

其次，高性能陽極至關(guān)重要。鋰金屬陽極與SE之間界面處的枝晶生長、孔隙形成和分解反應(yīng)仍然是高電流密度和快速充放電應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。鋰金屬陽極不再是唯一的競爭者，硅電極已經(jīng)進入SSB階段，這帶來了一系列新問題，例如Si/SE界面的穩(wěn)定性。

第三，需要共同努力降低SE中的鋰含量，并找到具有較低元素臨界度的成分，以及復(fù)合路線制備的化學方法，以便在未來幾年中使固態(tài)電池實際取代鋰離子電池。

第四，固態(tài)電池通常被認為比鋰離子電池更安全。然而，是否存在增加的安全性仍需明確證明，因為短路、使用有毒固態(tài)電解質(zhì)或甚至電解液的液體部分滲透到陽極可能會帶來額外的安全風險。更重要的是，最近的研究表明Li6PS5Cl–NCM復(fù)合材料的自燃和熱失控超過150?°C。顯然，熱電池管理和熱失控的相關(guān)安全風險需要更深入的研究。安全問題可能與鋰離子電池不同，但如果不制定固態(tài)電池的安全測試標準，就無法得出最終結(jié)論。

第五，對于固態(tài)電池這樣的領(lǐng)域，包括微觀結(jié)構(gòu)問題、化學問題、電化學問題、加工交付以及在某種程度上未知的基礎(chǔ)傳輸物理，重要的是將其他學科的原理和研究人員引入該領(lǐng)域。要真正發(fā)揮固態(tài)電池的潛力，方法的多樣性，而不僅僅是材料的多樣性是充分發(fā)展的關(guān)鍵。該領(lǐng)域需要更多來自物理學、數(shù)學、計算機科學、化學和工程學的研究人員?？偟膩碚f，成功的固態(tài)電池開發(fā)將需要更多的努力來標準化實驗電池設(shè)置和更接近實際條件的程序。

最后，我們相信固態(tài)電池將取得商業(yè)上的成功，但這是否意味著在特定的利基應(yīng)用中或在大眾市場上的成功還不得而知。

圖5：固態(tài)電池中已知的界面相關(guān)問題和潛在的解決方案。

審核編輯：劉清