通讯作者：Jürgen Janek, Wolfgang G. Zeier

通讯单位：德国吉森大学，明斯特大学

【研究亮点】

固态电池作为一种有前景且安全稳定的高能量高倍率电化学存储技术仍然面临长期性能、比功率和经济可行性等问题。本文回顾了固态电池的关键挑战，这些挑战仍然涉及对快速导电固态电解质的需求，以在复合正极中提供足够的传输。此外，作者提出高性能负极和保护概念对于建立致密的高能固态电池至关重要，而锂基固态电池和金属负极可能不是最终的解决方案。并进一步讨论了材料、研究团队和方法的多样性是实现长期固态电池的关键。

【主要内容】

迄今为止，锂离子电池是电化学储能领域无可争议的技术，因为它们具有高能量和功率密度、出色的循环性和可靠性。然而，由于锂离子电池性能接近极限，因此人们正在深入研究潜在的后续电池。固态电池最近成为一种潜在的后续技术来进一步提升电池性能，考虑到其双极堆叠的可能性、锂金属或硅负极的使用和预计更好的设备安全性。然而， 固态电池的产业化仍然面临许多主要挑战。首先是固态复合电极（特别是正极）的理解、设计和制备，这些电极需要最小的堆叠压力才能稳定长期运行。第二，开发稳定的高倍率和高容量负极，例如基于锂金属或硅。第三，固态电解质可在优化的厚正极结构中提供非常高的离子电导率，以及足够的稳定性和低成本。第四，活性材料和固态电解质之间的长期稳定和低电阻界面。第五，更具可持续性的电池技术，例如基于钠或硫转化的固态电池。此外，结合固体和液体或凝胶-聚合物电解质的“混合”概念的兴起变得重要，允许扩大规模和低成本生产的需求也变得重要。

鉴于此，德国吉森大学Jürgen Janek教授和明斯特大学Wolfgang G. Zeier教授就如何切实地将固态电池作为潜在的大众市场产品这一最相关的问题发表看法。

1）复合材料传输和化学机械性能是关键：未来的固态电池必须具有完全设计的电极微观和宏观结构，以及定制的正极活性材料颗粒，包含具有更快离子传导的固态电解质。

2）设计高性能固态电解质：未来的努力必须侧重于在电池环境中实现mS cm^–1级别的有效离子电导率，以获得能够在实际负载和电流密度下运行的固态电池，或者必须接受在高温下运行。

3）对高性能负极的需求：最明显的选择是锂金属负极或硅基负极。两者在充电/放电过程中都体现出巨大的体积变化，因此它们的使用取决于关键机械问题以及许多其他问题的解决。

4）稳定的界面、界面相和涂层：设计固态电解质或添加剂，使形成的界面表现出动力学稳定的有益传输特性，即不生长的界面层以及低界面阻抗。

5）真的需要锂吗？：推动钠固态电池发展以减少对Li的需求。

6）替代正极材料：预计将在固态电池的转换正极化学方向上进行更多的研究和开发。

7）从全固态到近固态的混合电池概念：如果一小部分低粘度添加剂有助于形成更好的界面和界面相，同时减少孔隙率和高曲折路径，那么近固态电池的整体优势是与全固态电池接近的。

8）生产和成本：固态电池本身的设计需要具有成本效益的工业材料加工和电池制造。

9）多样性是关键：要真正发挥固态电池的潜力，材料以及方法的多样性是其全面发展的关键。

Fig. 1 | Generalized lithium SSB cell concept.

Fig. 2 | Tortuosity effects in solid-state cathode composites.

Fig. 3 | Classification of SEs based on lithium content.

Fig. 4 | Critical issues of the lithium metal anode.

Fig. 5 | Known interface-related issues in SSBs and potential solutions.

【文献信息】

Janek, J., Zeier, W.G. Challenges in speeding up solid-state battery development. Nat Energy (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01208-9