试验室到市场固态电池过渡：将电化教机造取现实思量身分联络起来

第一作者：Michael J. Wang

通讯作者：Neil P. Dasgupta, Jeff Sakamoto

通讯单元：密歇根大学

【研究亮点】

(1) 扼要概述了该范畴的近况；

(2) 总结一些与固态电池机器方面最相干的最新希望；

(3) 列出与作者攀谈过的行业代表最常提到的思量身分；

(4) 最终列出该范畴一些最紧急的悬而未决的题目。

【研究配景】

锂基电池在社会开脱化石燃料的过渡中发挥着要害作用。为了连续这一趋向，必要具有高能量密度、长轮回寿命、高宁静性和低本钱的电池。实现这些要求的最有盼望的要领之一是用固体电解质取代易燃液体电解质。由此孕育发生的固态电池可以通过启用下一代化学物质（如锂金属、锂-氛围和锂-硫）来提供明显增添的能量密度。别的，通过用不行燃的固体电解质取代可燃液体，与开始进的锂离子电池相比，电池素质上更宁静。

固然固态电池的长处许多，但它们尚未大范围贸易化。固态电池现在面对的重要停滞是怎样制造和维护高性能固态电池。

在这里，作者把从试验室范围得到的底子知识与从贸易电池中现实操纵所获履历联络起来，从而提出了一些针对性的看法。作者夸大电池设计、制造工艺、现实操纵和电池体系都与预期应用紧密相干。别的，作者以为实体行业和学术界一定进一步证明固态电池范畴所取得的希望并对所取得希望举行遍及宣传，以促进更遍及的研究界对固态电池科学的根本机制了解。

【效果与商议】

图1. 固态电池设计的要害质料特性概述

如图1所示，作者总结了设计固态电池时所涉及的要害质料的特性。图1a中展示了几种化学、电化学、机器和热特性将影响电池的组装和运行方法。图1b中对现在文献中报道过的常见固体电解质体系举行了比力。

图2. 锂金属的固有机器性能与固态电池中的电化学举动联络起来的希望

如图2所示，作者总结了关于锂金属的固有机器性能与固态电池中的电化学举动之间的联络方面所取得的事情希望。此中包罗已被用于丈量金属锂的机器性能的传统机器测试要领（图2a），人们对拉伸和压缩下的弹性和塑性举动的深入的相识（图2b和2c），固态电池中界面征象的一连标准建模等。

图3.大范围生产固态电池所必要降服的挑衅及其办理方案

如图3所示，作者总结了大范围生产固态电池所必要降服的挑衅及其办理方案，此中包罗多种操纵电极和电解质外貌化学的要领，如阴极涂层、ALD夹层和热处置惩罚等。别的作者总结了一些先辈的制造要领，比方多层流延铸造和超快高温烧结。这些要领的组合大概会孕育发生具有竞争力的大型固态电池，终极将用于贸易化。

图4. 怎样推断电池性能的流程图

图4中，作者给出了现实生产历程中用于推断电池优劣和性能的根本流程和相干参数。现在商用锂离子电池制造的电动汽车时必要寄托庞大的操纵计谋来优化动力体系性能和连结电池康健，那么雷同地，监测电池的康健状态对付将来的固态电池电池组也很紧张。

图5. 绩效指标猜测

如图5，作者创建了关于电解质厚度与过量锂的重量和体积能量密度之间干系的函数模子。图5a中作者起首给出了几种电解质质料的重量能量密度与电解质厚度和过量锂之间的函数模子的外貌图。图5b中展示了复合正极内多少体积百分比的固体电解质的体积能量密度。图5c中给出了几种活性质料面积负载的体积能量密度。图5d中展示了轮回寿命作为库仑服从和过量锂的函数。

最终，为了加速在实现这些目的方面的希望，同时进步文献效果之间的透亮度和同等性，作者提出了以下准则将来在这个偏向的研究：

（1）作者以为应提供尽大概多的关于电池构建和电池轮回的信息。包罗与电池结构相干的紧张参数如结构要领、电极和电解质的多少尺寸、温度和电池堆压力在内的外部变量，以及这些参数在电池轮回中的改变。别的，还应清晰地形貌和表现电池轮回细致信息，比方每个轮回通过的电荷量和苏息时间。为了连结电流密度的同等性，每个轮回通过的电荷量应该是牢固的，而不是轮回时间。最终，应陈诉电池轮回之前、之后和时期的电池诊断，以辨认界面或体电阻、电池短路和其他征象的改变。作者以为交换阻抗谱和显微镜便是简洁而壮大的诊断要领。

（2）作者以为锂金属剥离的影相应与锂金属电镀的影响分散。众所周知，因为锂金属剥离，在锂/电解质界面处形成的清闲会淘汰打仗面积，并在将锂重新镀到该界面上时导致电流聚焦效应。而打仗丧失间接导致锂枝晶生长，粗糙的界面不是锂枝晶生长的须要条件。是以，为了消除锂枝晶生长的间接和直接缘故原由，应区分剥离的临界电流密度和电镀的临界电流密度。这可以通过认真思量轮回协媾和电池设置装备摆设以及利用参考电极来实现。作者以为用于评估这些参数的要领的透亮陈诉和同等性对付研究之间的比力至关紧张。

（3）作者以为在了解锂金属与种种固体电解质之间的相互作用方面已经取得了庞大希望，但相比之下，试图相识正极和固体电解质之间界面的事情却少得多。作者以为利用相干的阴极化学物质将为阴极/电解质界面的限速身分和阴极集成所面对的挑衅提供紧张的看法。别的，利用相干的阴极质料，以及在复合设置装备摆设中利用相干的活性负载（抱负情形下为 3-5 mAh cm-2）将提供最相干的看法。

（4）作者以为将阴极和阳极的库仑服从解耦也很紧张，这将决定电池的轮回寿命作为过量锂的函数。是以，研究固态电池在恒久轮回时期的库仑服从和相干容量丧失机制应该是将来进步的重点。

（5）作者以为只管同时包罗固体和液体电解质的混淆体系是实现锂金属阳极稳健同时实现低界面电阻的可行的中心步调，但是引入液体电解质又会显现关于电池宁静隐患的题目而且必要更严厉的温度操纵和治理体系。是以，无论是在阳极照旧阴极利用任何量的液体电解质都应明白阐明并商议其影响。完备的试验细节，包罗数目和身分还应陈诉液体电解质的含量。终极，液体电解质的利用代表了分外的制造步调和本钱，同时低落了利用固态电解质的宁静上风。是以，从电池中完全消除液体电解质纵然用全固态电解质是最好的选择。

Michael J. Wang, Eric Kazyak, Neil P. Dasgupta, Jeff Sakamoto, Transitioning solid-state batteries from lab to market: Linking electro-chemo-mechanics with practical considerations, Joule, 2021, DOI:10.1016/j.joule.2021.04.001

http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121001537