中國粉體網(wǎng)訊 全固態(tài)鋰電池采用固態(tài)、不揮發(fā)、不易燃電解質代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機液態(tài)電解質，在開發(fā)高能量、安全、寬溫度范圍的儲能器件方面具有很大的優(yōu)勢。然而，在這類電池中電解質/電極材料的界面出現(xiàn)的化學/電化學不穩(wěn)定性、接觸阻抗大、機械應力失效、空間電荷層等問題限制了電池系統(tǒng)的實用化。
界面穩(wěn)定性是影響固態(tài)鋰電池電化學性能的重要因素之一，雖然最近幾年固態(tài)電解質的鋰離子電導率已經(jīng)達到液態(tài)電解液的水平，但電池的容量仍然不高，循環(huán)和倍率性能遠低于傳統(tǒng)有機電解液電池，深入研究后發(fā)現(xiàn)決定電池容量和高倍率性能的關鍵因素除了固態(tài)電解質的離子電導率以及電解質的電化學窗口等電解質本身的原因之外，影響電池性能最主要的因素是電解質與正負極之間的界面問題。
與液態(tài)電池中的固-液界面不同，固態(tài)電池內部是固-固界面，包括負極-電解質界面、正極-電解質界面、電極內部顆粒間的界面等。固態(tài)電池中的界面既有物理接觸，也有化學接觸。物理接觸主要涉及電解質和電極之間離子傳輸?shù)狞c對點接觸；化學接觸主要涉及電解質和電極之間的副反應，降低界面穩(wěn)定性，增加界面阻抗。對于界面的研究主要集中在負極和正極與電解質的接觸上。
負極/電解質界面
鋰金屬在液態(tài)電解質中的高活性會帶來嚴重的安全問題，用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解質能夠在很大程度上解決鋰負極的安全問題。然而，鋰金屬/電解質之間的界面問題限制了采用鋰負極的全固態(tài)電池發(fā)展。為了改善界面性能在固-固界面之間設計界面層是一種有效方法。一些具有彈性的物質，如聚合物、凝膠和離子液體，能夠將固態(tài)電解質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)電解質的界面阻抗，有利于鋰離子在相界面的快速轉移。還有利于鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長。有研究者提出一種新穎的方法，通過原位聚合的方法來設計固態(tài)電極和固態(tài)電解質之間的界面。研究人員通過原位熱聚合在電極上形成復合固態(tài)電解質，這種方法將固態(tài)電極和電解質集成在一起，顯著降低界面阻抗，為界面問題的解決提供了新思路。
正極/電解質界面
為了提升電池比能量，對正極材料的容量和電壓需求較高。雖然固態(tài)電解質比液態(tài)電解質對高壓正極材料具有更好的耐受性，但正極/固態(tài)電解質界面存在幾個問題：界面處阻抗較大，界面元素擴散，由高壓分解和空間電荷層引起的界面副反應等。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題。將正極與電解質混合是解決兩者之間界面問題的有效方法，將復合固態(tài)電解質的成分（聚合物和鉀鹽）添加到正極活性物質中，或用復合電解質中的聚合物成分代替電極中的粘結劑。另外，集成的正極/固態(tài)電解質結構也能夠降低界面阻抗。一種方法是通過加熱、澆鑄或原位聚合使固態(tài)電解質組分滲透到正極活性材料中，另一種方法是設計多孔固態(tài)電解質作為負載正極材料的主體。實現(xiàn)與固液接觸相當?shù)臒o縫原子級電極/電解質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，電解質和層狀電極之間的周期性失配錯位形成了電極材料與固態(tài)電解質之間的外延界面，從而形成原子級接觸的固-固界面，為實現(xiàn)性能優(yōu)異的界面提供了新的思路。
針對固態(tài)電池相關的技術、材料、市場及產(chǎn)業(yè)等方面的問題，中國粉體網(wǎng)將于12月20-21日在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關鍵材料技術大會。為致力于固態(tài)電池技術開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時，南京大學何平教授將作題為《全固態(tài)鋰電池界面設計與性能研究》的報告。報告將對近年來何平教授課題組針對固態(tài)電池普遍存在的科學問題所開展的固-固界面組成、結構設計和輸運機制的研究成果進行介紹，包括無碳無粘結劑的鋰合金固態(tài)負極，金屬鋰表面SEI層原位構筑，固-固界面的限域溶解化學機制，固-固界面空間電荷層對鋰離子輸運特性影響的觀測以及固-固界面光熱增強效應等。
專家簡介：
何平，物理化學博士，南京大學現(xiàn)代工學院能源系教授博導、系主任。教育部“長江學者獎勵計劃”青年學者（2018），國家“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材料學院獲理學學士和工學碩士學位；2009年于復旦化學系獲得物理化學（電化學）博士學位。同年赴日本國立產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）能源技術部門任博士后。2011年11月回國工作，建立“南京大學儲能材料與技術中心”。近年來在非質子系統(tǒng)空氣電極多相電催化理論完善，金屬鋰/電解液（質）體系設計與優(yōu)化，固體電解質界面載流子輸運行為研究和關鍵能源材料提取回收等多個方面開展工作。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。主持國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”專項課題、國家自然科學基金（4項）和江蘇省自然科學基金（3項）等項目。任中國固態(tài)離子學會理事，《Energy&Fuels》《電化學》和《e Science》等期刊編委和青年編委。
參考來源：
武佳雄等.車用固態(tài)鋰電池研究進展及產(chǎn)業(yè)化應用
吳敬華等.固態(tài)鋰電池十年（2011—2021）回顧與展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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