陳軍、李鑫、余彥、Goodenough等大牛在全固態電池上的新突破

最近，隨著化石燃料的快速消耗，二氧化碳的大量排放所導致的溫室效應和環境問題越來越嚴重，發展大規模的高效清潔儲能技術受到各國科研工作者的關注。傳統的鋰離子電池由于受到嵌入式反應機理的限制已經接近其能量密度的頂端，因而難以有較大突破。固態電池由于具有高能量密度、高安全性、抑制鋰枝晶等優點，已成為高能量密度動力鋰電池領域的研究前沿。目前已研究與報導的固態電解質有氧化物、硫化物、有機及復合固態電解質。其中，硫化物固態電解質因具有最高的鋰離子導過率而備受關注。

固態電池是指采用固態電解質的鋰離子電池。性能方面，不可燃燒的固態電解質是固態電池的核心。固態電池在根除安全隱患的同時能帶來電池能量密度的提升。開發難度上，鋰硫、鋰空氣等新型電池需從整個電池結構入手，而固態電池的核心在于固態電解質，升級路徑更加簡單方便。縱觀未來技術的發展方向，固態電池已成必經之路，其作為距離我們最近的下一代電池技術已成為科學界與產業界的共識。

固態電解質的低離子電導率與高界面阻抗限制了電池的能量密度與倍率性能，當前尚未有足夠成熟的市場化產品。按照電解質材料的選取，固態電池可分為三大類：聚合物體系工藝最成熟，但性能上限制約發展；氧化物體系中薄膜型電池的難題在于容量擴充與規模化生產，而非薄膜型電池綜合性能優異，是當前開發的熱門；硫化物體系則處于發展空間巨大與技術水平不成熟的兩極化局面。

1、德克薩斯大學奧斯汀分校 ??鋰電之父J. B. Goodenough

來自德克薩斯大學奧斯汀分校的機械工程和材料科學的鋰電之父J. B. Goodenough 老先生的團隊在 Nature發表了題為How we made the Li-ion rechargeable battery的文章，該文章回顧了20世紀60年代以來二次電池的發展歷程，同時指出了未來電池的發展方向是固態電池。

提出了該發展方向后，Goodenough課題組在Journal of the American Chemical Society上發表了題為Cathode Dependence of Liquid-Alloy Na-K Anodes的文章，他們利用液態合金負極有效解決了電極-電解質界面的不相容問題和枝晶生長的問題。同時可以利用液體的流動性和自愈性實現無枝晶的負極界面。他們指出在室溫下熔融的Na-K合金與堿性離子電池的可燃液態碳酸鹽電解質不混溶，合金可以固定在其潤濕的多孔膜中。因此，他們的研究提供了一種在室溫下用易燃液體電解質在合金中鍍樹枝狀無鈉或鉀的方法，為可充電電池提供了安全保障。

2、哈佛大學 ?李鑫

?

哈佛大學李鑫教授課題組在Nature Communications上發表了題為Advanced sul?de solid electrolyte by core-shell structural design的文章，該團隊通過調控LSPS晶體硫化物固態電解質的制備方法，控制其微觀結構，揭示它們的微觀結構與電化學性能之間的關系。研究結果表明:通過調控燒結手段可制備出具有核殼結構的LSPS晶體，該高電壓穩定的LSPS固態電解質被應用于全固態鋰金屬電池，實現了室溫下的高容量穩定循環。最后，該團隊提出了如何材料層面和電池構造層面提高硫化物固態電解質的電化學穩定性的方法，為進一步推廣硫化物固態電解質的應用提供了思路。

3、南開大學 ?陳軍院士

南開大學陳軍院士，1967年出生，南開大學教授。1989年和1992年在南開大學獲學士學位和碩士學位，1999年在澳大利亞臥龍崗大學獲博士學位，1999-2002年在日本工業技術院任研究員。2002年任南開大學教授。從事固體功能材料與高能化學電源的研究。2003年獲國家杰出青年基金，2005年入選長江學者特聘教授，2010年和2017年兩次任科技部納米重點項目首席科學家，2011年獲國家自然科學二等獎，2014年入選中組部萬人計劃科技創新領軍人才和英國皇家化學會會士，2017年當選中國科學院院士。

南開大學陳軍院士在Joule上發表了題為Electrolyte and Interface Engineering for Solid-State Sodium Batteries的文章，該課題組系統介紹了鈉離子固態電解質的最新研究進展。包括傳輸機理、離子電導率、離子遷移數、穩定性和機械性能，并討論了它們之間的關系。研究了電極與固態電解質之間的界面接觸和化學兼容性問題，并總結了改善界面的常用策略。他們認為從界面這個角度來講，與其他固態電解質相比而言，硫化物和聚合物電解質具有更大的應用前景。該團隊提出了固態鈉電池的挑戰與研究方向：

NASICON電解質合成條件比較困難；硫化物電解質較差的化學/電化學穩定性；

電極/電解質之間的界面問題。理論計算與實際相結合來設計高性能固態電解質；

優化固態電解質的性能和界面；開發簡單廉價的制備方法來實現高性能固態電解質的規模化生產。

4、中國科學技術大學 ?余彥

余彥，中國科學技術大學材料科學與工程系教授，博士生導師。中組部首批青年千人;國家優秀青年基金獲得者。2001年畢業于安徽大學獲得學士學位；2006年獲得中國科學技術大學博士學位，隨后在美國（FloridaInternational University）和德國馬普固體研究所從事科學研究工作。2012年加入中科大，任教授，博導。主要研究方向為高性能鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池等關鍵電極材料的設計、合成及儲能機制。現兼任英國皇家化學會旗下期刊RSC Advances副主編。

余彥的團隊在上Advanced Energy Materials發表了題為Solid-State Sodium Batteries的文章，該團隊系統地總結了目前的鈉基固態電池，并討論了它們開發固態電池的潛在優勢和劣勢。固態電池作為OLE的有前途的替代品可以提供高能量和功率密度，長期循環和提高鈉電池的安全性。然而，應該進一步克服一些挑戰，包括高RT離子電導率，良好的化學/電化學穩定性，靈活的機械性能以及低成本和環境友好的制備工藝等，通過添加離子液體，用聚合物滲透，原位/非原位SEI形成等形成的濕界面中間層是解決該問題的有效策略。相比之下，柔性聚合物基電解質可以容易地用電極材料構建離子傳導層，但是它們的低機械強度和差的電化學穩定性可能不利于長期循環。并且低RT離子電導率不利于大規模應用。具有中等機械強度和高RT離子電導率的硫化物電解質可以預期對電極材料實現良好的潤濕性以獲得更好的循環性能。不幸的是，它們的化學穩定性差可能導致安全隱患。材料創新需要進一步開發用于實際應用，界面問題是電極材料與電解質之間的橋梁，直接決定了電池的性能。良好的界面可以有效抑制鈉金屬枝晶的生長，減少鈉-金屬陽極的體積變形，對長期循環有深遠的影響。

本文由材料人編輯部楊超編輯，材料牛整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加客服微信：cailiaokefu。