提高電池安全性和能量密度的“殺手锏”！近期固態電解質成果大合集
目前，基于鋰過渡金屬氧化物正極和石墨負極的商業化鋰離子電池已接近其能量密度極限（250 Wh/kg），無法進一步滿足社會發展的需求。此外，考慮到當前與鋰離子電池相關的嚴重事故，鋰離子電池的安全問題也變得尤為重要。金屬鋰作為鋰電池的“終極”負極材料具有超高的理論比容量、極低的電化學電位，有望給鋰電池的能量密度帶來革命性的提升。然而，在電化學循環過程中鋰枝晶的持續生長可能會刺穿隔膜，進而導致短路和安全隱患。為解決這些問題，固態電解質正被視為可燃液態電解質的替代品，因為它們不僅具有良好的熱穩定性可提高電池的安全性，而且具有機械剛性可抑制鋰枝晶的生長。基于以上考慮，本文匯總了近期固態電解質的部分優質成果，以供大家學習和參考！
1?Adv. Energy Mater.：固態電解質助力高溫穩定電池和超級電容器
最近在電子和電動汽車（EV）行業發生的火災事故報告表明，熱失控（TR）反應是該行業的一個重要考慮因素。固態電解質（SEs）的應用是解決與放熱電化學反應有關的TR問題的重要方式。近日，愛爾蘭斯萊戈理工學院Suresh C. Pillai教授和Vignesh Kumaravel博士等人綜述了現階段SEs的熱穩定性、離子傳輸機理、動力學、熱模型、最新進展、挑戰和未來展望。陶瓷-聚合物納米復合材料是高溫穩定電池（80–200°C范圍內）最合適的SEs。水凝膠和離子凝膠作為穩定、柔性和機械耐用的SEs，可用于超級電容器的防凍（最低-50°C）和高溫（高達200°C）應用。除了熱安全特性外，SEs還可以延長下一代電動汽車、航空航天設備、國防工具和移動電子設備中儲能系統的使用壽命。
Solid Electrolytes for High-Temperature Stable Batteries and Supercapacitors.?Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002869
2 Adv. Mater.：室溫下基于石榴石型電解質和有限鋰金屬負極的全固態電池
金屬鋰被認為是終極負極，有望成為高能量可充電池的保證。然而，由于在反復電鍍/剝離循環的過程中鋰存在持續消耗，因此鋰金屬電池（LMBs）通常使用過量的鋰金屬負極，這導致了能量密度的降低和成本的增加。近日，上海科技大學劉巍教授報道了一種基于石榴石型氧化物固態電解質的全固態鋰金屬電池（ASSLMB），其負極/正極容量比（N/P比）超低。與基于相同低N/P比使用液態電解質的電池相比，ASSLMBs顯示出更長的循環壽命，這歸因于循環過程中保持的較高庫侖效率。另外，作者還研究了界面層物種對低N/P比ASSLMBs循環性能的影響。實驗顯示，使用有限鋰金屬負極與LiFePO4正極（5.9 N/P比）的ASSLMB在室溫下可提供穩定的長期循環性能（循環185次后容量保持78%）。此外，作者發現通過使用高電壓或高質量負載的正極，可以進一步提高具有低N/P比ASSLMB的比能量。這項研究揭示了在有限鋰金屬負極約束條件下實用的高比能全固態電池。
All-Solid-State Batteries with a Limited Lithium Metal Anode at Room Temperature using a Garnet-Based Electrolyte. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.202002325
3 Adv. Funct. Mater.：聚合物基固態電解質：材料的選擇、設計和應用
聚合物基固態電解質（PSEs）因具有高安全性、高能量密度以及良好的柔性等優點，已成為下一代鋰電池的研究熱點。PSEs因具有卓越的性能，而被賦予替代液態電解質以滿足市場需求的潛力。近日，中山大學孟躍中教授和加拿大滑鐵盧大學Yuning Li教授從聚合物基體的概述入手，綜述了近年來PSEs的最新研究進展，深入了解了聚合物基體在電解質性能中的作用。然后討論了兩種類型的聚合物電解質，即具有工程化結構聚合物基體的PSEs和固態聚合物復合電解質（SPCEs）。此外，介紹了PSEs在全固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰枝晶抑制、柔性鋰離子電池等領域的應用。最后，對PSEs的發展前景和可能的發展方向進行了展望。
Polymer-Based Solid Electrolytes: Material Selection, Design, and Application. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202007598
4 Sci. Adv.：可打印的高性能固態電解質膜
由于非晶態結構和易揮發的Li損耗等問題，目前的陶瓷固態電解質（SSE）薄膜具有較低的離子電導率（10?8到10?5?S/cm）。近日，馬里蘭大學胡良兵教授課題組通過基于溶液的打印工藝和后續快速（~3s）高溫（~1500℃）反應燒結制備了一種高性能陶瓷SSE薄膜。該SSE具有致密、均勻的結構和高達1 mS/cm的離子導電性。此外，從前體到最終產品的制備時間通常為5分鐘，比傳統SSE的合成快10到100倍。這種打印和快速燒結工藝還允許在無交叉污染的情況下逐層制造多層結構。作為概念的證明，作者展示了一種具有共形界面和良好循環穩定性的打印固態電池。這項技術可以很容易地擴展到其他薄膜器件，為開發安全、高性能的固態電池和其他薄膜器件提供了以前所未有的機會。
Printable, high-performance solid-state electrolyte films. Sci. Adv. 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abc8641
5 Angew. Chem. Int. Ed.：用于全固態鋰電池的多層陶瓷電解質
石榴石型固態電解質Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12（LLZTO）具有與鋰金屬化學穩定性好、離子導電性高的優點，但由于與鋰金屬的潤濕性差，其界面和內部Li金屬生長嚴重，導致界面電阻大、短路快。為了解決這些問題，北京化工大學周偉東教授團隊開發了一種Ti摻雜的LLZTO（Ti-LLZTO）/LLZTO雙層陶瓷電解質，其中電化學可還原的Ti-LLZTO層與Li金屬接觸，LLZTO層與正極接觸。采用Ti-LLZTO和LLZTO相同的晶體結構可實現無縫接觸，并在它們之間實現無障礙的Li+傳輸。此外，通過Li金屬原位還原Ti-LLZTO，提高了界面潤濕性并構建了混合的離子電子導電層。這兩種特性不僅可以減少界面上的缺陷/孔隙，而且可以使界面離子/電子通量均勻化，有利于降低界面電阻和抑制枝晶。借助Ti-LLZTO層，對于3.0 mAh cm-2的大面積容量，可以實現長期穩定的鋰電鍍/剝離。
A Multilayer Ceramic Electrolyte for All-solid-state Li Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202014265
6 Energy Storage Materials：固態電解質在商用鋰離子動力電池中的研究進展及應用前景
作為汽車動力電池，能量密度對汽車的續航能力有著直接的影響。但電動汽車的續航里程已超過600公里，如特斯拉Model S和比亞迪漢。因此，安全性是電動汽車可靠性的最關鍵因素和保證。近日，同濟大學楊正龍教授以固態鋰離子電池的安全性和實用性為重點，通過闡述一些新穎而出色的實例，著重討論和分析了這些實用的制造方法和策略。根據當前的工業技術和市場需求，作者總結了四種最實用固態電解質（聚合物凝膠、PEO基、石榴石型和硫化物型電解質）的應用潛力、改進策略和大批量生產的可能性。總結和闡述了近年來在不同電解質中鋰離子的遷移機理。此外，重點討論了固態電解質和電極的關鍵界面問題，還提出了一些實際生產中有用的方法。另外，該文中有一些有趣而新穎的內容，那就是鋰金屬不被視為負極材料，因為作者認為近年來對于工業生產而言這是不現實且不經濟的，而聚合物凝膠被認為是一種很好的材料，液態電解質基電池將逐步過渡到全固態電池。
Research Progress and Application Prospect of Solid-state Electrolytes in Commercial Lithium-ion Power Batteries. Energy Storage Materials 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.11.017
7 Adv. Energy Mater.：固態鋰金屬電池：氧化物和硫化物固態電解質及其界面的挑戰與展望
引入新型安全且可靠的固態電解質化學和技術，有可能克服液態電解質面臨的挑戰，同時擴大可能的應用范圍。近日，美國麻省理工學院Jennifer L. M. Rupp教授通過合理地分析從液態鋰離子電池（LIBs）到全固態鋰金屬電池（ASSLBs）過渡的技術歷史演變，提出了一種以界面挑戰為重點的氧化物和硫化物基ASSLB的發展路線圖，并考慮了五個參數：能量密度、功率密度、長期穩定性、加工和安全性。首先從戰略的角度，將ASSLB分解為三個主要組成部分，討論了最有前景的固態電解質及其與氧化物正極材料和鋰金屬負極最有利的配對選擇。全面分析了兩類最有前景和研究的無機固態電解質（氧化物和硫化物）的化學、電化學和機械性能。接下來，廣泛討論了固態電解質與氧化物正極和鋰金屬負極配對的主要挑戰，并提出了緩解這些問題的可能策略。最后，對解決這些挑戰的未來前景、指導方針和選擇性界面工程策略進行了分析和討論。
Solid-State Li-Metal Batteries: Challenges and Horizons of Oxide and Sulfide Solid Electrolytes and Their Interfaces. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002689
8 Adv. Energy Mater.：原位構建聚合物-粘土復合固態電解質助力無枝晶高性能全固態電池
商業化的液態電解質基鋰離子電池（LIBs）具有很高的燃燒或爆炸可能性。固態電解質可以克服傳統液態電解質的缺點，但它們通常具有較低的離子電導率和鋰離子遷移率。近日，韓國延世大學Jong Hyeok Park教授和首爾大學Won Bo Lee教授通過原位紫外光固化的方法制備了一種由耐用的半互穿聚合物網絡（semi-IPN）離子傳輸矩陣（ETPTA/PVdF-HFP）和二維超薄粘土納米片組成的復合聚合物粘土電解質（U-CPCE）。借助剝離的粘土納米片，U-CPCE在室溫下的離子電導率超過10?3?S cm?1，而且表現出耐用和柔韌的特性。因此，基于U-CPCE的LiCoO2半電池在0.2 C下顯示出152 mAh g?1的初始放電比容量，這與傳統基于液態電解質的電池相當。此外，由于鋰離子轉移數（tLi+=0.78）的顯著提高和鋰枝晶形成的抑制，LiCoO2/Li電池顯示出優異的循環性能（0.5 C下循環200次后容量保持率為96%）。此外，作者還進行了分子動力學研究，以闡明提高離子電導率的機理。總之，U-CPCE的設計為未來的全固態鋰離子電池提供了機遇。
Polymer-Clay Nanocomposite Solid-State Electrolyte with Selective Cation Transport Boosting and Retarded Lithium Dendrite Formation. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202003114
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