提高电池安全性和能量密度的“杀手锏”！近期固态电解质成果大合集

目前，基于锂过渡金属氧化物正极和石墨负极的商业化锂离子电池已接近其能量密度极限（250 Wh/kg），无法进一步满足社会发展的需求。此外，考虑到当前与锂离子电池相关的严重事故，锂离子电池的安全问题也变得尤为重要。金属锂作为锂电池的“终极”负极材料具有超高的理论比容量、极低的电化学电位，有望给锂电池的能量密度带来革命性的提升。然而，在电化学循环过程中锂枝晶的持续生长可能会刺穿隔膜，进而导致短路和安全隐患。为解决这些问题，固态电解质正被视为可燃液态电解质的替代品，因为它们不仅具有良好的热稳定性可提高电池的安全性，而且具有机械刚性可抑制锂枝晶的生长。基于以上考虑，本文汇总了近期固态电解质的部分优质成果，以供大家学习和参考！

1 Adv. Energy Mater.：固态电解质助力高温稳定电池和超级电容器

最近在电子和电动汽车（EV）行业发生的火灾事故报告表明，热失控（TR）反应是该行业的一个重要考虑因素。固态电解质（SEs）的应用是解决与放热电化学反应有关的TR问题的重要方式。近日，爱尔兰斯莱戈理工学院Suresh C. Pillai教授和Vignesh Kumaravel博士等人综述了现阶段SEs的热稳定性、离子传输机理、动力学、热模型、最新进展、挑战和未来展望。陶瓷-聚合物纳米复合材料是高温稳定电池（80–200°C范围内）最合适的SEs。水凝胶和离子凝胶作为稳定、柔性和机械耐用的SEs，可用于超级电容器的防冻（最低-50°C）和高温（高达200°C）应用。除了热安全特性外，SEs还可以延长下一代电动汽车、航空航天设备、国防工具和移动电子设备中储能系统的使用寿命。

Solid Electrolytes for High-Temperature Stable Batteries and Supercapacitors. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002869

2 Adv. Mater.：室温下基于石榴石型电解质和有限锂金属负极的全固态电池

金属锂被认为是终极负极，有望成为高能量可充电池的保证。然而，由于在反复电镀/剥离循环的过程中锂存在持续消耗，因此锂金属电池（LMBs）通常使用过量的锂金属负极，这导致了能量密度的降低和成本的增加。近日，上海科技大学刘巍教授报道了一种基于石榴石型氧化物固态电解质的全固态锂金属电池（ASSLMB），其负极/正极容量比（N/P比）超低。与基于相同低N/P比使用液态电解质的电池相比，ASSLMBs显示出更长的循环寿命，这归因于循环过程中保持的较高库仑效率。另外，作者还研究了界面层物种对低N/P比ASSLMBs循环性能的影响。实验显示，使用有限锂金属负极与LiFePO₄正极（5.9 N/P比）的ASSLMB在室温下可提供稳定的长期循环性能（循环185次后容量保持78%）。此外，作者发现通过使用高电压或高质量负载的正极，可以进一步提高具有低N/P比ASSLMB的比能量。这项研究揭示了在有限锂金属负极约束条件下实用的高比能全固态电池。

All-Solid-State Batteries with a Limited Lithium Metal Anode at Room Temperature using a Garnet-Based Electrolyte. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.202002325

3 Adv. Funct. Mater.：聚合物基固态电解质：材料的选择、设计和应用

聚合物基固态电解质（PSEs）因具有高安全性、高能量密度以及良好的柔性等优点，已成为下一代锂电池的研究热点。PSEs因具有卓越的性能，而被赋予替代液态电解质以满足市场需求的潜力。近日，中山大学孟跃中教授和加拿大滑铁卢大学Yuning Li教授从聚合物基体的概述入手，综述了近年来PSEs的最新研究进展，深入了解了聚合物基体在电解质性能中的作用。然后讨论了两种类型的聚合物电解质，即具有工程化结构聚合物基体的PSEs和固态聚合物复合电解质（SPCEs）。此外，介绍了PSEs在全固态锂离子电池、锂硫电池、锂枝晶抑制、柔性锂离子电池等领域的应用。最后，对PSEs的发展前景和可能的发展方向进行了展望。

Polymer-Based Solid Electrolytes: Material Selection, Design, and Application. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202007598

4 Sci. Adv.：可打印的高性能固态电解质膜

由于非晶态结构和易挥发的Li损耗等问题，目前的陶瓷固态电解质（SSE）薄膜具有较低的离子电导率（10⁻⁸到10⁻⁵ S/cm）。近日，马里兰大学胡良兵教授课题组通过基于溶液的打印工艺和后续快速（~3s）高温（~1500℃）反应烧结制备了一种高性能陶瓷SSE薄膜。该SSE具有致密、均匀的结构和高达1 mS/cm的离子导电性。此外，从前体到最终产品的制备时间通常为5分钟，比传统SSE的合成快10到100倍。这种打印和快速烧结工艺还允许在无交叉污染的情况下逐层制造多层结构。作为概念的证明，作者展示了一种具有共形界面和良好循环稳定性的打印固态电池。这项技术可以很容易地扩展到其他薄膜器件，为开发安全、高性能的固态电池和其他薄膜器件提供了以前所未有的机会。

Printable, high-performance solid-state electrolyte films. Sci. Adv. 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abc8641

5 Angew. Chem. Int. Ed.：用于全固态锂电池的多层陶瓷电解质

石榴石型固态电解质Li_6.75La₃Zr_1.75Ta_0.25O₁₂（LLZTO）具有与锂金属化学稳定性好、离子导电性高的优点，但由于与锂金属的润湿性差，其界面和内部Li金属生长严重，导致界面电阻大、短路快。为了解决这些问题，北京化工大学周伟东教授团队开发了一种Ti掺杂的LLZTO（Ti-LLZTO）/LLZTO双层陶瓷电解质，其中电化学可还原的Ti-LLZTO层与Li金属接触，LLZTO层与正极接触。采用Ti-LLZTO和LLZTO相同的晶体结构可实现无缝接触，并在它们之间实现无障碍的Li⁺传输。此外，通过Li金属原位还原Ti-LLZTO，提高了界面润湿性并构建了混合的离子电子导电层。这两种特性不仅可以减少界面上的缺陷/孔隙，而且可以使界面离子/电子通量均匀化，有利于降低界面电阻和抑制枝晶。借助Ti-LLZTO层，对于3.0 mAh cm^-2的大面积容量，可以实现长期稳定的锂电镀/剥离。

A Multilayer Ceramic Electrolyte for All-solid-state Li Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202014265

6 Energy Storage Materials：固态电解质在商用锂离子动力电池中的研究进展及应用前景

作为汽车动力电池，能量密度对汽车的续航能力有着直接的影响。但电动汽车的续航里程已超过600公里，如特斯拉Model S和比亚迪汉。因此，安全性是电动汽车可靠性的最关键因素和保证。近日，同济大学杨正龙教授以固态锂离子电池的安全性和实用性为重点，通过阐述一些新颖而出色的实例，着重讨论和分析了这些实用的制造方法和策略。根据当前的工业技术和市场需求，作者总结了四种最实用固态电解质（聚合物凝胶、PEO基、石榴石型和硫化物型电解质）的应用潜力、改进策略和大批量生产的可能性。总结和阐述了近年来在不同电解质中锂离子的迁移机理。此外，重点讨论了固态电解质和电极的关键界面问题，还提出了一些实际生产中有用的方法。另外，该文中有一些有趣而新颖的内容，那就是锂金属不被视为负极材料，因为作者认为近年来对于工业生产而言这是不现实且不经济的，而聚合物凝胶被认为是一种很好的材料，液态电解质基电池将逐步过渡到全固态电池。

Research Progress and Application Prospect of Solid-state Electrolytes in Commercial Lithium-ion Power Batteries. Energy Storage Materials 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.11.017

7 Adv. Energy Mater.：固态锂金属电池：氧化物和硫化物固态电解质及其界面的挑战与展望

引入新型安全且可靠的固态电解质化学和技术，有可能克服液态电解质面临的挑战，同时扩大可能的应用范围。近日，美国麻省理工学院Jennifer L. M. Rupp教授通过合理地分析从液态锂离子电池（LIBs）到全固态锂金属电池（ASSLBs）过渡的技术历史演变，提出了一种以界面挑战为重点的氧化物和硫化物基ASSLB的发展路线图，并考虑了五个参数：能量密度、功率密度、长期稳定性、加工和安全性。首先从战略的角度，将ASSLB分解为三个主要组成部分，讨论了最有前景的固态电解质及其与氧化物正极材料和锂金属负极最有利的配对选择。全面分析了两类最有前景和研究的无机固态电解质（氧化物和硫化物）的化学、电化学和机械性能。接下来，广泛讨论了固态电解质与氧化物正极和锂金属负极配对的主要挑战，并提出了缓解这些问题的可能策略。最后，对解决这些挑战的未来前景、指导方针和选择性界面工程策略进行了分析和讨论。

Solid-State Li-Metal Batteries: Challenges and Horizons of Oxide and Sulfide Solid Electrolytes and Their Interfaces. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002689

8 Adv. Energy Mater.：原位构建聚合物-粘土复合固态电解质助力无枝晶高性能全固态电池

商业化的液态电解质基锂离子电池（LIBs）具有很高的燃烧或爆炸可能性。固态电解质可以克服传统液态电解质的缺点，但它们通常具有较低的离子电导率和锂离子迁移率。近日，韩国延世大学Jong Hyeok Park教授和首尔大学Won Bo Lee教授通过原位紫外光固化的方法制备了一种由耐用的半互穿聚合物网络（semi-IPN）离子传输矩阵（ETPTA/PVdF-HFP）和二维超薄粘土纳米片组成的复合聚合物粘土电解质（U-CPCE）。借助剥离的粘土纳米片，U-CPCE在室温下的离子电导率超过10⁻³ S cm⁻¹，而且表现出耐用和柔韧的特性。因此，基于U-CPCE的LiCoO₂半电池在0.2 C下显示出152 mAh g⁻¹的初始放电比容量，这与传统基于液态电解质的电池相当。此外，由于锂离子转移数（t_Li+=0.78）的显著提高和锂枝晶形成的抑制，LiCoO₂/Li电池显示出优异的循环性能（0.5 C下循环200次后容量保持率为96%）。此外，作者还进行了分子动力学研究，以阐明提高离子电导率的机理。总之，U-CPCE的设计为未来的全固态锂离子电池提供了机遇。

Polymer-Clay Nanocomposite Solid-State Electrolyte with Selective Cation Transport Boosting and Retarded Lithium Dendrite Formation. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202003114

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