实现全固态电池承诺的途径

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说到电池，总是有改进的地方:开发更便宜、更安全、更持久、更能量密集、更容易回收的电池的竞赛正在进行。

在2020年3月出版的一篇综述文章中自然纳米技术，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师提供了一份研究路线图，其中包括四个需要解决的挑战，以推进一种有前途的电池-全固态电池-走向商业化。这篇文章总结了该团队在过去三年中为解决这些挑战所做的工作，这些工作已经在各种期刊上发表的几篇同行评审文章中进行了报道。

不像现在的可充电锂离子电池，它含有液体电解质，通常是易燃的，固体电解质电池提供了更高的安全性，除了一系列的好处，包括更高的能量密度。

在自然纳米技术综述文章中，研究人员重点研究了无机固体电解质如陶瓷氧化物或硫化物玻璃。无机固体电解质是用于全固态电池的一类相对较新的固体电解质(与有机固体电解质相比，有机固体电解质的研究更为广泛)。

路线图:全固态电池的无机电解质

举例说明各种回收方法，参考固态电池中提出的电池直接回收方法。图片由自然纳米技术提供

以下是研究人员在他们的评论文章中描述的路线图大纲:

1)建立稳定的固体电解质化学界面
2)新工具在operando诊断和表征
3)可扩展和具有成本效益的可制造性
4)可回收电池

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授雪莉·孟说:“我们退后一步，思考如何同时应对这些挑战是至关重要的，因为它们都是相互关联的。”“如果我们要兑现全固态电池的承诺，我们必须找到同时应对所有这些挑战的解决方案。”

孟是加州大学圣地亚哥分校可持续电力与能源中心的主任，也是加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所的主任，是加州大学圣地亚哥分校所有固态电池研发前沿研究人员集群的关键成员。

创建稳定的固体电解质化学界面

固态电解质自早期以来已经取得了长足的发展，当时发现的第一批电解质的导电性值太低，无法实际应用。当今先进的固态电解质的电导率甚至超过了当今电池中使用的传统液体电解质(大于10毫秒厘米)^－1)．离子电导率是指锂离子在电解质中移动的速度。

不幸的是，大多数高导电性固体电解质通常是电化学不稳定的，在应用于电池电极材料时面临问题。

“在这一点上，我们应该把注意力从追求更高的离子电导率上转移开。相反，我们应该关注固态电解质和电极之间的稳定性，”孟说。

如果离子电导率类似于汽车的行驶速度，那么界面稳定性则指的是在高峰时段通过交通的困难程度。如果你在上班的路上遇到交通堵塞，你的车开得多快都无关紧要。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员最近解决了这一界面稳定性瓶颈，展示了如何使用具有中等离子导电性但界面稳定的固体电解质来稳定电极-电解质界面并提高电池性能。

来自加州大学圣地亚哥分校的相关界面稳定性论文：

• 揭示长寿命和高能全固态电池的纳米级固-固界面现象在ACS应用材料与界面
• Li6PS5Cl固体电解质可逆电化学氧化还原的研究ACS能源快报

新工具在Operando诊断与表征

电池为什么会坏?为什么会发生短路?要了解电池内部发生了什么，需要精确到纳米级别的特性描述，最好是实时描述。对于全固态电池来说，这是非常具有挑战性的。

电池特性通常依赖于使用探针，如x射线，电子或光学显微镜。在商业锂离子电池中，使用的液体电解质是透明的，可以观察到各自电极上的各种现象。在某些情况下，这种液体也可以被洗掉，以提供更高分辨率表征的更清洁的表面。

“我们更容易观察今天的锂离子电池。但在全固态电池中，所有东西都是固态的。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士候选人达伦·h·s·谭(Darren H. S. Tan)说:“如果你在全固态电池上尝试同样的技术，就像试图看穿一堵砖墙。”

此外，固态电池中使用的固体电解质和金属锂对电子束损伤很敏感。这意味着用于研究电池的标准电子显微镜技术会在观察和表征这些材料之前破坏它们。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员克服这些挑战的一种方法是使用低温方法保持电池材料的低温，减轻它们在电子显微镜探针下的分解。

另一个用来克服表征固体电解质界面障碍的工具是x射线断层扫描。这与人类在健康检查时所经历的类似。在最近的一篇论文中使用了这种方法，报告了在不打开或破坏电池本身的情况下，观察到埋在固体电解质中的锂枝晶。

来自加州大学圣地亚哥分校的相关特性论文：

• 低温聚焦离子束表征锂金属阳极ACS能源快报
• 室温全固态锂金属电池的堆叠压力考虑在先进能源材料

可扩展和具有成本效益的可制造性

如果电池研究的突破无法扩展，通常意义不大。这包括全固态电池的进步。如果这类电池要在未来几年内进入市场，电池界需要有方法有效地大规模生产和处理其敏感部件材料。

在过去的几十年里，研究人员在实验室里开发了各种固体电解质材料，这些材料表现出对电池来说非常理想的化学性质。不幸的是，许多这些有前途的材料要么太昂贵，要么太难大规模生产。例如，当厚度达到30微米以下的卷对卷生产时，许多材料会变得非常脆。

此外，大规模生产固体电解质的方法还不成熟。例如，大多数合成协议需要多个能量过程，包括多个铣削、热退火和溶液处理步骤。

为了克服这些限制，加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在合并多个专业领域。他们将传统材料科学中使用的陶瓷与有机化学中使用的聚合物结合起来，开发出灵活稳定的固体电解质，与可扩展的制造工艺兼容。为了解决材料合成的问题，该团队还报告了固体电解质材料如何通过单步制造而不需要额外的退火步骤即可大规模生产。

加州大学圣地亚哥分校的相关可伸缩制造论文：

• ”通过可扩展溶液工艺实现薄而灵活的固态复合电解质“在ACS应用能源材料
• ”钠全固态电池高导电性Na3PS4固体电解质的一步合成“在电源杂志

电池设计为可回收

用过的电池含有有价值且丰度有限的材料，如锂和钴，可以重复使用。

当它们到达生命周期的终点时，这些电池需要去某个地方，否则它们只会随着时间的推移而堆积成废物。

然而，今天的回收方法往往是昂贵的、能源和时间密集的，并且在加工过程中含有有毒化学物质。此外，由于电解质、锂盐、隔膜、添加剂和包装材料的回收率较低，这些方法只能回收一小部分电池材料。在很大程度上，这是因为今天的电池从一开始就没有考虑到具有成本效益的可回收性。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员在为未来的全固态电池设计可重用性和可回收性方面处于最前沿。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授郑陈说:“必须将成本效益高的可重用性和可回收性纳入未来的发展，以开发出每公斤500瓦时或更高的高能量密度的全固态电池。”“至关重要的是，我们不要犯与锂离子电池相同的可回收性错误。”

电池的设计也需要考虑到它们的整个生命周期。这意味着要设计一种电池，使其在低于原始容量的60%至80%后仍能很好地使用，这通常标志着电池的使用寿命结束。这可以通过探索电池的二次用途来实现，比如固定存储或应急电源，在它们最终到达回收中心之前延长它们的寿命。

有机电解质的全固态电池作为一种未来的电池技术，提供了巨大的前景，它将提供高能量密度、安全、长寿命和可回收性。但是，把这些可能性变成现实需要战略性的研究努力，考虑包括可回收性在内的其余挑战是如何相互关联的。

论文标题
”从纳米级界面表征到使用全固态电池的可持续能源存储的文章自然纳米技术

作者
Darren H. S. Tan, Abhik Banerjee，郑晨，莹。Shirley孟来自加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程系、化学工程项目和可持续动力与能源中心(SPEC)。

资金
这项工作得到了LG化学通过电池创新竞赛(BIC)计划以及能源与生物科学研究所通过EBI-Shell计划的财政支持。z.c感谢美国能源部通过ReCell中心提供的资金支持，以及加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的启动资金支持。Y.S.M.感谢Zable捐赠主席基金的资助。