陳軍、李鑫、胡良兵、Goodenough等全固態電池上的新突破

【引言】

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

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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

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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、美國馬里蘭大學 ?胡良兵

胡良兵于2002年在中國科學與技術大學取得理學學士學位，在校三年內他與張宇恒教授共同致力于研究阻磁材料。并于2002-2007年在加州大學洛杉磯分校從事基于納米電子學的碳納米管，取得博士學位。在2009-2011年他在斯坦福大學主要研究內容是基于納米材料和納米結構的不同種類的能源設備。

近日，胡良兵團隊在Advanced Materials發表了題為Interface Engineering for Garnet‐Based Solid‐State Lithium‐Metal Batteries: Materials, Structures, and Characterization的文章，該團隊提出了解決固態電池的研究的方向：尋求更好的快速離子導體轉向解決固態電池的界面電阻和界面穩定性問題。同時他們從材料選擇的角度回顧了改善陽極/電解質界面的兩條實用路線。比較了幾種改善陰極/電解質界面的方法優缺點。然后，他們討論了復合電解質中的界面以及如何通過嚴格的結構設計將界面用作快速離子通道。最后，他們介紹了幾種實驗表征技術有效地揭示固態電池中的反應和離子傳輸。

本文由材料人編輯部楊超編輯，材料牛整理。

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