北美丰田研究所EES综述: 实现固态锂电池的“圣杯”锂负极

当前，无机固体电解质Li⁺电导率的巨大改进重新引发了研究人员对开发固态电池的兴趣。对于采用锂金属负极的固态电池，目前限制循环寿命的主要挑战是锂生长对固体电解质的渗透及由此产生的短路。与锂金属的挑战不同，固态正极必须应对由于活性材料的膨胀和收缩而形成的裂纹。

在此，北美丰田研究所John Muldoon等人概述了固态电池面临的挑战、为缓解这些挑战所做的尝试及对最有希望的成功途径的看法。作者首先讨论了锂生长和渗透的挑战，然后介绍成核“热点”形成的主要原因。锂生长和渗透的主要原因是Li⁰的缓慢表面扩散，这放大了锂电镀/剥离的局部电流密度的不均匀性。

为此，作者总结了缓解锂增长和渗透的有前途策略：

（1）在锂负极和固体电解质之间构建人工SEI；

（2）使用高表面积基底将局部电流密度降低至远低于临界电流密度；

（3）在负极中加入锂合金材料以增强Li⁰扩散；

（4）使用高Li⁺导电性固体电解质。固态电池必须应对的第二个挑战是由于活性材料膨胀和收缩而在电极或固体电解质隔膜层内形成裂纹。裂纹阻碍了锂离子的传导，导致电池电阻升高并降低了活性容量。在讨论了锂渗透之后，作者探讨了裂纹的形成及可能的预防方法。

图1. 锂剥离过程中锂/固体电解质界面处形成空隙及伴随的界面电阻变化

最后，作者简要概述了扩大固体电解质生产规模的一些挑战：一方面，一些反应物更昂贵，例如Li₂S和价格较低的P₂S₅。此外，加工条件和方法在确定制造电解质的成本方面也起着重要作用。最后，许多无机固体电解质需要加热步骤来使产物结晶并提高离子电导率。这些事实表明，如果要实现固态电池，就必须投入更多的精力来开发成本更低的制造技术。通过总结本文讨论的策略，有可能最终实现电池技术的圣杯，即锂金属负极。

值得重申的是，即使实现了锂金属负极，正极也可能由于活性材料膨胀和收缩引起的压力变化而形成裂纹，从而限制循环寿命。通过使用具有柔软机械性能的电解质来维持和缓冲循环过程中活性材料的体积变化，可以提高正极的循环寿命。总之，有这么多可行的研究路径可供探索，固态电池研究的未来是光明的。

图2. 循环过程中由于活性材料膨胀和收缩而产生的开裂

The quest for the holy grail of solid-state lithium batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00842D