目前最先進(jìn)的鋰離子電池仍然不能滿足日益增長(zhǎng)的高能量密度需求，因?yàn)橛娩嚱饘僮鳛殛枠O時(shí)主要存在樹枝狀晶形生長(zhǎng)，將可能出現(xiàn)短路（導(dǎo)致熱失控）和低庫侖效率、循環(huán)壽命差的問題。

 

在開發(fā)鋰金屬負(fù)極以及其他高容量正極化學(xué)品（如硫和氧）時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)利用固體電解質(zhì)(SSE)取代傳統(tǒng)電解液時(shí)具有很好的安全性，因此開發(fā)基于固體電解質(zhì)的鋰金屬電池或許可以從根本上解決安全性的問題。同時(shí)，研究結(jié)果表明在室溫下的離子電導(dǎo)率就高于10-3 S cm-1的超離子導(dǎo)體。然而，SSE與電極的相容性差產(chǎn)生的高界面阻抗的問題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。目前，科研人員已經(jīng)提出了采用先進(jìn)的分離器、電解質(zhì)添加劑和正溫度系數(shù)（PTC）改進(jìn)的集電器等新方法以提高鋰金屬電池的安全性。因此，現(xiàn)在迫切需要開發(fā)出具有更高能量密度、更長(zhǎng)循環(huán)壽命和更高安全性的鋰金屬電池的新化學(xué)品或技術(shù)。

 

最近，Chem在線刊登了美國(guó)斯坦福大學(xué)的崔屹教授和中國(guó)上?？萍即髮W(xué)的劉巍研究員（共同通訊作者）、上?？萍即髮W(xué)博后夏水鑫（第一作者）和上海科技大學(xué)15級(jí)本科生吳昕晟（共同一作）等人總結(jié)的關(guān)于全固態(tài)鋰金屬電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景的綜述。題目是“Practical Challenges and Future Perspectives of All-Solid-State Lithium-Metal Batteries”。在這篇綜述中，首先總結(jié)了高導(dǎo)電固體電解質(zhì)(SSE)的主要挑戰(zhàn)和最新發(fā)展，包括聚合物、無機(jī)和復(fù)合材料，以及用于下一代高能量密度的鋰電池，從基礎(chǔ)理解到技術(shù)創(chuàng)新。其次，總結(jié)了關(guān)于SSE和電極界面問題的策略。接著，介紹了鋰金屬負(fù)極與鋰嵌入化合物、硫和氧正極結(jié)合的ASSLMBs的當(dāng)前進(jìn)展和實(shí)際挑戰(zhàn)。最后，還展望了基于鋰金屬負(fù)極的ASSLMBs的未來前景。目前已廣泛的研究了納米粒子填充的CPEs。與具有粒子—粒子結(jié)的納米粒子不同，由于納米線表面上的連續(xù)和擴(kuò)展的跳躍路徑，納米線可以構(gòu)建用于快速鋰離子傳輸?shù)?D網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，二維(2D)中孔納米片如蒙脫石、粘土和云母也是高性能CPEs的填料。

（D）CPEs與NPs、隨機(jī)NWs和對(duì)齊NWs的可能的鋰離子傳導(dǎo)途徑的比較。

 

4、基于鋰金屬負(fù)極的全固態(tài)電池

 

近年來，采用鋰金屬作為負(fù)極的研究逐漸成為熱點(diǎn)。由于鋰金屬具有高理論比容量(3860 mAh/g)、最低負(fù)電化學(xué)勢(shì)(-3.040 V相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極)和低密度(0.59 g/cm3)，使其成為下一代高能量密度電池的理想負(fù)極候選物。然而，鋰金屬傾向于以鋰枝晶形式不均勻地沉積，使其可能穿透隔板導(dǎo)致熱失控和電池故障。同時(shí)，通過消耗電解質(zhì)在鋰金屬表面自發(fā)形成的SEI層有助于不均勻的成核并導(dǎo)致低CE。此外，在重復(fù)沉積和溶解循環(huán)時(shí)，鋰金屬負(fù)極的大體積變化可能導(dǎo)致SEI層中的裂縫，從而促使下面的鋰與鋰金屬連續(xù)的反應(yīng)。目前研究人員已經(jīng)提出了電解質(zhì)添加劑、人造SEI層和工程界面層及鋰主體等方法，以解決鋰金屬負(fù)極的問題。其中，SSEs被認(rèn)為是最有希望解決這些問題。

 

4.1、基于插層鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰金屬電池

 

SPEs在電池應(yīng)用中的主要問題是它們?cè)谑覝叵戮哂邢鄬?duì)有限的離子電導(dǎo)率、低電壓區(qū)域和窄的操作溫度。但是，通過交聯(lián)是一種有效改善PEO基電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度的方法。還報(bào)道了用于ASSLMBs構(gòu)造的固態(tài) sp3 硼基單離子導(dǎo)電PEO基聚合物電解質(zhì)膜(S-BSM)。鋰離子與 sp3 硼原子之間的弱關(guān)聯(lián)作用有助于提高鋰離子遷移率，并且測(cè)得的S-BSMs的LTN數(shù)接近于1。它們的開發(fā)是構(gòu)建未來在環(huán)境溫度下運(yùn)行的ASSLMBs的重要步驟。

 

（A）Mg2B2O5 NWs的TEM圖像；

 

（B）具有Mg2B2O5 NWs的CPEs中的鋰離子傳導(dǎo)的示意圖；

 

（C）在50 ℃下，有和無Mg2B2O5 NW的SSEs對(duì)Li/LFP單元格的速率性能。

 

4.2、全固態(tài)鋰硫電池

 

由于鋰硫電池具有高理論能量容量 (1672 mAh/g)、成本效益、無毒性和天然豐度的優(yōu)勢(shì)，所以硫被認(rèn)為是最有希望的下一代高能系統(tǒng)的正極候選物。然而，鋰硫電池也存在硫、含硫有機(jī)化合物的低電子和離子傳導(dǎo)性以及多硫化物穿梭效應(yīng)的缺點(diǎn)，導(dǎo)致硫作為正極的利用不足，阻礙了其商業(yè)化。梭式效應(yīng)實(shí)際上是源于多硫化物在有機(jī)液體電解質(zhì)中的溶解和擴(kuò)散。梭式效應(yīng)的作用過程是在正極處形成的多硫化物可以轉(zhuǎn)移到鋰負(fù)極，之后它們被還原成較低的多硫化物，生成的較低的多硫化物又可以被輸送回正極，在被氧化后返回負(fù)極。穿梭效應(yīng)導(dǎo)致低活性物質(zhì)利用率、低CE，因此循環(huán)壽命短。

 

4.3、全固態(tài)鋰-空氣電池

 

鋰-空氣電池（LABs）是一種被認(rèn)為具有大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的潛在設(shè)備，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟鞣N類型的電池中具有最高的能量密度(11140 Wh /kg)。然而，有機(jī)液體電解質(zhì)的分解導(dǎo)致的極大的極化、容量降低和安全性等問題阻礙了LABs的實(shí)際應(yīng)用。而基于LABs開發(fā)的SSEs可以從根本上消除安全性的問題。盡管由于極大的極化電阻和快速的容量衰減等非常具有挑戰(zhàn)性的問題，導(dǎo)致ASSLABs尚未被廣泛研究，但是與金屬鋰一起形成枝晶的問題已經(jīng)獲得了一定程度的成功。

 

 

隨著高容量化學(xué)品（如鋰金屬負(fù)極、硫和氧正極材料）的發(fā)展，SSEs在“超越鋰”電池具有高能量密度、適用于大規(guī)模儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)在應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。利用SSEs可以從根本上解決易燃有機(jī)液體電解質(zhì)、鋰金屬負(fù)極低CE和鋰枝晶形成、硫正極可溶性多硫化物的穿梭效應(yīng)以及開放引起的鋰空氣電池空氣組件的不穩(wěn)定性等問題。盡管已經(jīng)在SSEs方面取得了許多進(jìn)展，但是大面積推廣仍有一些問題需要解決。例如：離子電導(dǎo)率、界面阻抗、機(jī)械強(qiáng)度和與電極的兼容性、成本效益。同時(shí)，我們需要注意的是除了所需的高能量密度之外，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用有效地利用不同的優(yōu)點(diǎn)，例如便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)車的高功率密度以及智能電網(wǎng)存儲(chǔ)的低的維護(hù)成本。此外，改造現(xiàn)有的電池制造工藝或ASSLMBs的新制造技術(shù)對(duì)于短期實(shí)際應(yīng)用也是非常重要。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提供高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高安全性的ASSLMBs將在未來逐漸走向市場(chǎng)。