中國(guó)粉體網(wǎng)訊  全固態(tài)鋰電池采用固態(tài)、不揮發(fā)、不易燃電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，在開(kāi)發(fā)高能量、安全、寬溫度范圍的儲(chǔ)能器件方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而，在這類電池中電解質(zhì)/電極材料的界面出現(xiàn)的化學(xué)/電化學(xué)不穩(wěn)定性、接觸阻抗大、機(jī)械應(yīng)力失效、空間電荷層等問(wèn)題限制了電池系統(tǒng)的實(shí)用化。

界面穩(wěn)定性是影響固態(tài)鋰電池電化學(xué)性能的重要因素之一，雖然最近幾年固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到液態(tài)電解液的水平，但電池的容量仍然不高，循環(huán)和倍率性能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)有機(jī)電解液電池，深入研究后發(fā)現(xiàn)決定電池容量和高倍率性能的關(guān)鍵因素除了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率以及電解質(zhì)的電化學(xué)窗口等電解質(zhì)本身的原因之外，影響電池性能最主要的因素是電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面問(wèn)題。

與液態(tài)電池中的固-液界面不同，固態(tài)電池內(nèi)部是固-固界面，包括負(fù)極-電解質(zhì)界面、正極-電解質(zhì)界面、電極內(nèi)部顆粒間的界面等。固態(tài)電池中的界面既有物理接觸，也有化學(xué)接觸。物理接觸主要涉及電解質(zhì)和電極之間離子傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸；化學(xué)接觸主要涉及電解質(zhì)和電極之間的副反應(yīng)，降低界面穩(wěn)定性，增加界面阻抗。對(duì)于界面的研究主要集中在負(fù)極和正極與電解質(zhì)的接觸上。

負(fù)極/電解質(zhì)界面

鋰金屬在液態(tài)電解質(zhì)中的高活性會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)能夠在很大程度上解決鋰負(fù)極的安全問(wèn)題。然而，鋰金屬/電解質(zhì)之間的界面問(wèn)題限制了采用鋰負(fù)極的全固態(tài)電池發(fā)展。為了改善界面性能在固-固界面之間設(shè)計(jì)界面層是一種有效方法。一些具有彈性的物質(zhì)，如聚合物、凝膠和離子液體，能夠?qū)⒐虘B(tài)電解質(zhì)和鋰金屬電極之間的剛性接觸改變?yōu)檐浗佑|，不僅可以降低鋰金屬/固態(tài)電解質(zhì)的界面阻抗，有利于鋰離子在相界面的快速轉(zhuǎn)移。還有利于鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。有研究者提出一種新穎的方法，通過(guò)原位聚合的方法來(lái)設(shè)計(jì)固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)之間的界面。研究人員通過(guò)原位熱聚合在電極上形成復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，這種方法將固態(tài)電極和電解質(zhì)集成在一起，顯著降低界面阻抗，為界面問(wèn)題的解決提供了新思路。

正極/電解質(zhì)界面

為了提升電池比能量，對(duì)正極材料的容量和電壓需求較高。雖然固態(tài)電解質(zhì)比液態(tài)電解質(zhì)對(duì)高壓正極材料具有更好的耐受性，但正極/固態(tài)電解質(zhì)界面存在幾個(gè)問(wèn)題：界面處阻抗較大，界面元素?cái)U(kuò)散，由高壓分解和空間電荷層引起的界面副反應(yīng)等。多數(shù)研究工作著重于正極材料的表面修飾以解決上述問(wèn)題。將正極與電解質(zhì)混合是解決兩者之間界面問(wèn)題的有效方法，將復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的成分（聚合物和鉀鹽）添加到正極活性物質(zhì)中，或用復(fù)合電解質(zhì)中的聚合物成分代替電極中的粘結(jié)劑。另外，集成的正極/固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)也能夠降低界面阻抗。一種方法是通過(guò)加熱、澆鑄或原位聚合使固態(tài)電解質(zhì)組分滲透到正極活性材料中，另一種方法是設(shè)計(jì)多孔固態(tài)電解質(zhì)作為負(fù)載正極材料的主體。實(shí)現(xiàn)與固液接觸相當(dāng)?shù)臒o(wú)縫原子級(jí)電極/電解質(zhì)界面是新的研究方向。有研究者將富鋰層狀電極嵌入到LLTO晶格中，電解質(zhì)和層狀電極之間的周期性失配錯(cuò)位形成了電極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間的外延界面，從而形成原子級(jí)接觸的固-固界面，為實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的界面提供了新的思路。

針對(duì)固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)、材料、市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)等方面的問(wèn)題，中國(guó)粉體網(wǎng)將于12月20-21日在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)。為致力于固態(tài)電池技術(shù)開(kāi)發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動(dòng)車、儲(chǔ)能、特種應(yīng)用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺(tái)，開(kāi)展產(chǎn)、學(xué)、研合作，共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。屆時(shí)，南京大學(xué)何平教授將作題為《全固態(tài)鋰電池界面設(shè)計(jì)與性能研究》的報(bào)告。報(bào)告將對(duì)近年來(lái)何平教授課題組針對(duì)固態(tài)電池普遍存在的科學(xué)問(wèn)題所開(kāi)展的固-固界面組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輸運(yùn)機(jī)制的研究成果進(jìn)行介紹，包括無(wú)碳無(wú)粘結(jié)劑的鋰合金固態(tài)負(fù)極，金屬鋰表面SEI層原位構(gòu)筑，固-固界面的限域溶解化學(xué)機(jī)制，固-固界面空間電荷層對(duì)鋰離子輸運(yùn)特性影響的觀測(cè)以及固-固界面光熱增強(qiáng)效應(yīng)等。

專家簡(jiǎn)介：

何平，物理化學(xué)博士，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院能源系教授博導(dǎo)、系主任。教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”青年學(xué)者（2018），國(guó)家“優(yōu)青”（2019），江蘇省“杰青”、“優(yōu)青”，江蘇省“六大人才高峰”高層次人才。2003和2006年于南京航空航天大學(xué)材料學(xué)院獲理學(xué)學(xué)士和工學(xué)碩士學(xué)位；2009年于復(fù)旦化學(xué)系獲得物理化學(xué)（電化學(xué)）博士學(xué)位。同年赴日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）能源技術(shù)部門任博士后。2011年11月回國(guó)工作，建立“南京大學(xué)儲(chǔ)能材料與技術(shù)中心”。近年來(lái)在非質(zhì)子系統(tǒng)空氣電極多相電催化理論完善，金屬鋰/電解液（質(zhì)）體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化，固體電解質(zhì)界面載流子輸運(yùn)行為研究和關(guān)鍵能源材料提取回收等多個(gè)方面開(kāi)展工作。以通訊作者身份在Nat Commun，Science Adv，Joule，Angew ChemInterEd，Energy EnvironSci，Adv Mater等刊物發(fā)表SCI論文80余篇。文章他引12000余次，H-index62。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”專項(xiàng)課題、國(guó)家自然科學(xué)基金（4項(xiàng)）和江蘇省自然科學(xué)基金（3項(xiàng)）等項(xiàng)目。任中國(guó)固態(tài)離子學(xué)會(huì)理事，《Energy&Fuels》《電化學(xué)》和《e Science》等期刊編委和青年編委。

參考來(lái)源：

武佳雄等.車用固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

吳敬華等.固態(tài)鋰電池十年（2011—2021）回顧與展望

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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