陈军、李鑫、胡良兵、Goodenough等全固态电池上的新突破

【引言】

最近，随着化石燃料的快速消耗，二氧化碳的大量排放所导致的温室效应和环境问题越来越严重，发展大规模的高效清洁储能技术受到各国科研工作者的关注。传统的锂离子电池由于受到嵌入式反应机理的限制已经接近其能量密度的顶端，因而难以有较大突破。固态电池由于具有高能量密度、高安全性、抑制锂枝晶等优点，已成为高能量密度动力锂电池领域的研究前沿。目前已研究与报导的固态电解质有氧化物、硫化物、有机及复合固态电解质。其中，硫化物固态电解质因具有最高的锂离子导过率而备受关注。

固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。性能方面，不可燃烧的固态电解质是固态电池的核心。固态电池在根除安全隐患的同时能带来电池能量密度的提升。开发难度上，锂硫、锂空气等新型电池需从整个电池结构入手，而固态电池的核心在于固态电解质，升级路径更加简单方便。纵观未来技术的发展方向，固态电池已成必经之路，其作为距离我们最近的下一代电池技术已成为科学界与产业界的共识。

固态电解质的低离子电导率与高界面阻抗限制了电池的能量密度与倍率性能，当前尚未有足够成熟的市场化产品。按照电解质材料的选取，固态电池可分为三大类：聚合物体系工艺最成熟，但性能上限制约发展；氧化物体系中薄膜型电池的难题在于容量扩充与规模化生产，而非薄膜型电池综合性能优异，是当前开发的热门；硫化物体系则处于发展空间巨大与技术水平不成熟的两极化局面。

1、德克萨斯大学奥斯汀分校   锂电之父J. B. Goodenough

来自德克萨斯大学奥斯汀分校的机械工程和材料科学的锂电之父J. B. Goodenough 老先生的团队在 Nature发表了题为How we made the Li-ion rechargeable battery的文章，该文章回顾了20世纪60年代以来二次电池的发展历程，同时指出了未来电池的发展方向是固态电池。

提出了该发展方向后，Goodenough课题组在Journal of the American Chemical Society上发表了题为Cathode Dependence of Liquid-Alloy Na-K Anodes的文章，他们利用液态合金负极有效解决了电极-电解质界面的不相容问题和枝晶生长的问题。同时可以利用液体的流动性和自愈性实现无枝晶的负极界面。他们指出在室温下熔融的Na-K合金与碱性离子电池的可燃液态碳酸盐电解质不混溶，合金可以固定在其润湿的多孔膜中。因此，他们的研究提供了一种在室温下用易燃液体电解质在合金中镀树枝状无钠或钾的方法，为可充电电池提供了安全保障。

2、哈佛大学  李鑫

哈佛大学李鑫教授课题组在Nature Communications上发表了题为Advanced sulfide solid electrolyte by core-shell structural design的文章，该团队通过调控LSPS晶体硫化物固态电解质的制备方法，控制其微观结构，揭示它们的微观结构与电化学性能之间的关系。研究结果表明:通过调控烧结手段可制备出具有核壳结构的LSPS晶体，该高电压稳定的LSPS固态电解质被应用于全固态锂金属电池，实现了室温下的高容量稳定循环。最后，该团队提出了如何材料层面和电池构造层面提高硫化物固态电解质的电化学稳定性的方法，为进一步推广硫化物固态电解质的应用提供了思路。

3、南开大学  陈军院士

南开大学陈军院士，1967年出生，南开大学教授。1989年和1992年在南开大学获学士学位和硕士学位，1999年在澳大利亚卧龙岗大学获博士学位，1999-2002年在日本工业技术院任研究员。2002年任南开大学教授。从事固体功能材料与高能化学电源的研究。2003年获国家杰出青年基金，2005年入选长江学者特聘教授，2010年和2017年两次任科技部纳米重点项目首席科学家，2011年获国家自然科学二等奖，2014年入选中组部万人计划科技创新领军人才和英国皇家化学会会士，2017年当选中国科学院院士。

南开大学陈军院士在Joule上发表了题为Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries的文章，该课题组系统介绍了钠离子固态电解质的最新研究进展。包括传输机理、离子电导率、离子迁移数、稳定性和机械性能，并讨论了它们之间的关系。研究了电极与固态电解质之间的界面接触和化学兼容性问题，并总结了改善界面的常用策略。他们认为从界面这个角度来讲，与其他固态电解质相比而言，硫化物和聚合物电解质具有更大的应用前景。该团队提出了固态钠电池的挑战与研究方向：

NASICON电解质合成条件比较困难；硫化物电解质较差的化学/电化学稳定性；

电极/电解质之间的界面问题。理论计算与实际相结合来设计高性能固态电解质；

优化固态电解质的性能和界面；开发简单廉价的制备方法来实现高性能固态电解质的规模化生产。

4、美国马里兰大学  胡良兵

胡良兵于2002年在中国科学与技术大学取得理学学士学位，在校三年内他与张宇恒教授共同致力于研究阻磁材料。并于2002-2007年在加州大学洛杉矶分校从事基于纳米电子学的碳纳米管，取得博士学位。在2009-2011年他在斯坦福大学主要研究内容是基于纳米材料和纳米结构的不同种类的能源设备。

近日，胡良兵团队在Advanced Materials发表了题为Interface Engineering for Garnet‐Based Solid‐State Lithium‐Metal Batteries: Materials, Structures, and Characterization的文章，该团队提出了解决固态电池的研究的方向：寻求更好的快速离子导体转向解决固态电池的界面电阻和界面稳定性问题。同时他们从材料选择的角度回顾了改善阳极/电解质界面的两条实用路线。比较了几种改善阴极/电解质界面的方法优缺点。然后，他们讨论了复合电解质中的界面以及如何通过严格的结构设计将界面用作快速离子通道。最后，他们介绍了几种实验表征技术有效地揭示固态电池中的反应和离子传输。

本文由材料人编辑部杨超编辑，材料牛整理。

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