实验室到市场固态电池过渡将电化学机制与实际考虑因素联系起来

　　第一作者：Michael J. Wang
　　通讯作者：Neil P. Dasgupta, Jeff Sakamoto
　　通讯单位：密歇根大学
　　【研究亮点】
　　(1) 简要概述了该领域的现状；
　　(2) 总结一些与固态电池机械方面最相关的最新进展；
　　(3) 列出与作者交谈过的行业代表最常提到的考虑因素；
　　(4) 最后列出该领域一些最紧迫的悬而未决的问题。
　　【研究背景】
　　锂基电池在社会摆脱化石燃料的过渡中发挥着关键作用。为了延续这一趋势，需要具有高能量密度、长循环寿命、高安全性和低成本的电池。实现这些要求的最有希望的方法之一是用固体电解质代替易燃液体电解质。由此产生的固态电池可以通过启用下一代化学物质（如锂金属、锂-空气和锂-硫）来提供显着增加的能量密度。此外，通过用不可燃的固体电解质代替可燃液体，与最先进的锂离子电池相比，电池本质上更安全。
　　虽然固态电池的优点很多，但它们尚未大规模商业化。固态电池目前面临的主要障碍是如何制造和维护高性能固态电池。
　　在这里，作者把从实验室规模获得的基础知识与从商业电池中实际操作所获经验联系起来，从而提出了一些针对性的观点。 作者强调电池设计、制造工艺、实际操作和电池系统 都与预期应用密切相关。此外，作者认为实体行业和学术界必须进一步证实固态电池领域所取得的进展并对所取得进展进行广泛宣传，以促进更广泛的研究界对固态电池科学的基本机制理解。
　　【结果与讨论】
　　图1. 固态电池设计的关键材料特性概述
　　如图1所示，作者总结了设计固态电池时所涉及的关键材料的特性。 图1a中展示了几种化学、电化学、机械和热特性将影响电池的组装和运行方式。图1b中对目前文献中报道过的常见固体电解质系统进行了比较。
　　图2. 锂金属的固有机械性能与固态电池中的电化学行为联系起来的进展
　　如图2所示，作者总结了关于锂金属的固有机械性能与固态电池中的电化学行为之间的联系方面所取得的工作进展。 其中包括已被用于测量金属锂的机械性能的传统机械测试方法（图2a），人们对拉伸和压缩下的弹性和塑性行为的深入的了解（图2b和2c），固态电池中界面现象的连续尺度建模等。
　　图3.大规模生产固态电池所需要克服的挑战及其解决方案
　　如图3所示，作者总结了大规模生产固态电池所需要克服的挑战及其解决方案 ，其中包括多种控制电极和电解质表面化学的方法，如阴极涂层、ALD夹层和热处理等。另外作者总结了一些先进的制造方法，例如多层流延铸造和超快高温烧结。这些方法的组合可能会产生具有竞争力的大型固态电池，最终将用于商业化。
　　图4. 如何判断电池性能的流程图
　　图4中，作者给出了实际生产过程中用于判断电池好坏和性能的基本流程和相关参数。目前商用 锂离子电池制造的电动汽车时需要依靠复杂的控制策略来优化动力系统性能和保持电池健康，那么类似地，监测电池的健康状况对于未来的固态电池电池组也很重要。
　　图5. 绩效指标预测
　　如图5，作者建立了关于电解质厚度与过量锂的重量和体积能量密度之间关系的函数模型。图5a中 作者首先给出了几种电解质材料的重量能量密度与电解质厚度和过量锂之间的函数模型的表面图。图5b中展示了复合正极内若干体积百分比的固体电解质的体积能量密度。图5c中给出了几种活性材料面积负载的体积能量密度。图5d中展示了循环寿命作为库仑效率和过量锂的函数。
　　最后，为了加快在实现这些目标方面的进展，同时提高文献结果之间的透明度和一致性，作者提出了以下准则未来在这个方向的研究：
　　（1）作者认为应提供尽可能多的关于电池构建和电池循环的信息。包括与电池构造相关的重要参数如构造方法、电极和电解质的几何尺寸、温度和电池堆压力在内的外部变量，以及这些参数在电池循环中的变化 。此外，还应清楚地描述和显示电池循环详细信息，例如每个循环通过的电荷量和休息时间。为了保持电流密度的一致性，每个循环通过的电荷量应该是固定的，而不是循环时间。最后，应报告电池循环之前、之后和期间的电池诊断，以识别界面或体电阻、电池短路和其他现象的变化。作者认为交流阻抗谱和显微镜就是简单而强大的诊断方法。
　　（2）作者认为锂金属剥离的影响应与锂金属电镀的影响分离。众所周知，由于锂金属剥离，在锂/电解质界面处形成的空隙会减少接触面积，并在将锂重新镀到该界面上时导致电流聚焦效应。而接触损失间接导致锂枝晶 生长，粗糙的界面不是锂枝晶生长的必要条件。因此，为了消除锂枝晶生长的间接和直接原因，应区分剥离的临界电流密度和电镀的临界电流密度。这可以通过仔细考虑循环协议和电池配置以及使用参考电极来实现。作者认为用于评估这些参数的方法的透明报告和一致性对于研究之间的比较至关重要。
　　（3）作者认为在理解锂金属与各种固体电解质之间的相互作用方面已经取得了重大进展，但相比之下，试图了解正极和固体电解质之间界面的工作却少得多。作者认为使用相关的阴极化学物质将为阴极/电解质界面的限速因素和阴极集成所面临的挑战提供重要的见解。 此外，使用相关的阴极材料，以及在复合配置中使用相关的活性负载（理想情况下为 3-5 mAh cm-2）将提供最相关的见解。
　　（4）作者认为将阴极和阳极的库仑效率解耦也很重要，这将决定电池的循环寿命作为过量锂的函数。因此，研究固态电池在长期循环期间的库仑效率和相关容量损失机制应该是未来前进的重点。
　　（5）作者认为尽管同时包含固体和液体电解质的混合体系是实现锂金属阳极稳定同时实现低界面电阻的可行的中间步骤，但是引入液体电解质又会出现关于电池安全隐患的问题并且需要更严格的温度控制和管理系统。因此，无论是在阳极还是阴极使用任何量的液体电解质都应明确说明并讨论其影响。完整的实验细节，包括数量和成分还应报告液体电解质的含量。最终，液体电解质的使用代表了额外的制造步骤和成本，同时降低了使用固态电解质的安全优势。因此，从电池中完全消除液体电解质即使用全固态电解质是最好的选择。
　　Michael J. Wang, Eric Kazyak, Neil P. Dasgupta, Jeff Sakamoto, Transitioning solid-state batteries from lab to market: Linking electro-chemo-mechanics with practical considerations, Joule, 2021, DOI:10.1016/j.joule.2021.04.001
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121001537