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··~···工程21(2023)32意见和评论固态电池在安全可靠储能方面的前景王长虹,孙西安大略大学机械与材料工程系,伦敦,ON N6A 3K7,加拿大1. 介绍锂离子电池(LIB)等电化学电源对于便携式电子产品、电动汽车和电网规模的能量存储是不可或缺的。然而,目前使用的商用LIB使用易燃液体电解质,因此在误用时会造成严重的安全危害(即,收费过高)。此外,常规LIB的能量密度接近其生理化学极限。因此,开发具有固有安全性和高能量密度的下一代储能技术对于大规模储能系统至关重要。在这种情况下,固态电池(SSB)最近因其无与伦比的安全性和高能量密度而复活(图1)。然而,SSB的发展受到几个主要挑战的阻碍[1],包括①缺乏具有高离子电导率、宽电化学窗口、合适的机械性能和大规模可行性的合适的固态电解质(SSE);②界面电阻大,界面离子/电子传输动力学有限;以及③用于可行的SSB生产的有限的制造工艺和技术。2. 固态电解质作为SSB的核心材料,许多基于各种阴离子(S2-、O2-、X-(X =F、Cl、Br和I)等)的SSE被广泛应用在过去的几十年中已经报道了一些,其中一些包括基于硫化物、氧化物、固体聚合物、卤化物、反钙钛矿和硼氢化物的SSE。每一类SSE都有自己的优点和缺点。例如,硫化物电解质(即,Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3,25 mS·cm-1)在室温下具有最高的离子电导率,但它们的空气稳定性差,并存在有毒气体(即,H2 S)释放时暴露于周围环境。此外,硫化物电解质的成本仍然远远不能满足工业要求。因此,提高硫化物电解液的空气稳定性和降低成本是发展其SSB技术的重要前提相反,氧化物电解质具有良好的空气稳定性,高离子电导率(1 mS cm-1)和宽的电化学窗口。尽管如此,氧化物电解质的高弹性模量限制了它们的器件集成[2]。到目前为止,氧化物电解质已成功地用于开发准SSB(具有一些液体电解质或凝胶聚合物电解质)。应该提到的是,典型的氧化物电解质Li7 La3 Zr2 O12是化学式的。对二氧化碳( CO2 )和水( H2O)敏感,导致其表面形成 Li2CO2 和LiOH,导致界面亲锂性差[3]。硼氢化物电解质具有良好的离子导电性,但其热稳定性差、易放氢(H2)等缺点使其在实际应用中受到限制。反钙钛矿电解质对锂(Li)金属表现出优异的稳定性,但它们在室温下的离子电导率仍需要改进[4]。考虑到SSE的机械性能,固态聚合物电解质被认为是大规模电池制造中最可行的,尽管它们的室温离子电导率不足(10- 6 S cm-1)。到目前为止,Bolloré已经将30kW h锂金属聚合物(LMP)电池商业化,并成功集成到他们的Bluecar中,在城市使用中提供250 km的行驶里程和120 kmh-1的最高速度。近来,固态卤化物电解质已经被广泛地应用。这些电解质表现出相对高的离子电导率(> 1 mS cm-1)、高的氧化稳定性(> 4 V,相对于Li+/Li)和有利的机械柔软性(类似于硫化物电解质)[5例如,我们的小组开发了新的湿化学方法来合成卤化物电解质,并系统地研究了它们的结构与性能的关系[6Nazar高压稳定性(> 4.8 V,相对于Li+/Li)和超长循环稳定性的SSB使用卤化物电解质(Li2 In1/3 Sc1/3 Cl4)。虽然基于卤化物的SSBFig. 1. 电池技术发展概述。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.0082095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engC. Wang和X. 孙工程21(2023)3233显示出优异的电化学性能、它们的湿气脆弱性和对下一代阳极的界面不稳定性(例如,锂金属)仍然极具挑战性。同时,开发低成本、原子经济性好的卤化物电解液也是十分必要的。尽管已经基于不同的阴离子化学开发了各种SSE,但是仍然缺乏能够满足SSB的所有标准的完美SSE因此,应继续努力支持现有的小企业,并开发创新的替代方案。此外,设计结合无机和有机材料优点的复合SSE是一个重要的研究方向[2]。同时,鼓励该领域的学者利用第一性原理计算和先进的表征技术来理解SSEs的结构与性质的关系,这将为SSEs的离子传输机制和晶体结构提供机理上的见解3. 界面设计由于尚未开发出用于SSB应用的理想SSE在本节中,我们将重点介绍SSBs的挑战,同时提供了一些有前途的战略和未来的前景,关于阴极和阳极,分别(图。 2(a))。(1) 阴极相关战略和未来展望。在阴极界面处,由阴极和SSE之间的固有电化学电势的差异引起的空间电荷效应是阻碍界面电荷传输的公认因素。在界面处沉积电介质缓冲层可以有效地减轻空间电荷效应[1]。此外,阴极活性材料(CAM)和SSE之间的界面副反应导致电阻界面层(图11)。 2(a)),其显著阻碍界面离子/电子传输。高度期望具有高离子电导率的界面涂层以防止阴极副反应。然而,对于如何合理设计理想的界面涂层材料,特别是关于离子导电性、机械性能和电子导电性,缺乏充分的理解。电极材料的体积变化也是导致物理接触损失的重大挑战。虽然外部压力可以帮助缓解这些问题,但相当大的压力对于实际应用来说不是非常可行的。添加润湿剂是一种很好的解决方案;但是,必须仔细检查润湿剂与复合材料中其他组分之间的化学相容性。此外,导电碳通常需要在电极复合材料中构建连续的电子通路。然而,这样的电子传导剂也可以引起SSE图二、(a)全固态电池的配置突出了界面挑战;(b)制造实用多层全固态软包电池的浆料涂覆工艺C. Wang和X. 孙工程21(2023)3234-·····分解,特别是对于硫化物电解质。因此,平衡电极复合材料内部的界面离子和电子传输对于实现具有高功率密度和长循环寿命的SSB是至关重要的。已被广泛研究用于SSB的大多数阴极材料是LiCoO2和高镍(Ni)阴极。在不久的将来应开发无钴催化剂,以避免与钴资源有关的问题。此外,高容量的导管(例如,硫和氧)需要被开发。先进的表征技术,如高分辨率透射电子显微镜(TEM)、同步加速器分析、低温TEM和弛豫时间分布(DRT)[10],对于理解界面降解机制和界面电荷传输动力学至关重要。(2) 阳极相关策略和未来展望。在阳极界面处,当与锂金属阳极配对时,大多数SSE易于还原,因为锂阳极具有最低的电化学电势(相对于标准氢电极(SHE)为3.04V)。为了解决这个问题,已经开发了界面涂层来防止副反应。与液体系统类似,在SSB中广泛观察到Li枝晶,这可能与不良的界面固-固接触、SSE的电子导电性(10- 10 - 10 - 8 S cm-1)、空隙以及SSE制备过程中形成的随机表面和体缺陷有关可以抑制Li枝晶形成的几种有希望的策略包括构建具有高扩散率的Li主体(即,合金阳极)和添加调节Li沉积行为的界面润湿剂[11]。然而,非常有限的面积容量(0.1-通常在Li/SSE/Li对称电池中测试,这对于实际应用是不现实的[12]。一些Li/SSE/Li电池甚至表现出非常高的临界电流密度(CCD),高于该临界电流密度,Li枝晶将穿透SSE层并引起内部短路。目前CCD的测试方案总是在最小容量下,这应该重新考虑。此外,以往的研究大多是基于厚金属锂的,这是从实际应用中衍生出来的.未来的工作应该利用薄Li层(例如,30l m)。由于薄Li金属在循环时遭受显著的体积变化,因此高度期望适应薄Li金属阳极的体积变化虽然使用锂金属阳极可以显著提高SSB的能量密度,但固态锂金属电池的安全性需要仔细评估[13]。除了Li金属之外,其它阳极材料如石墨、Si/C、硅和合金(例如,锡(Sn))应平行开发SSB应用[14]。无阳极SSB是另一个有前途的方向,正如三星所证明的那样,尽管它们存在巨大的挑战[15]。4. 全固态电池许多研究小组报告了SSB的令人鼓舞的电化学结果,其中一些包括使用超离子硫化物导体的高功率全固态电池、由银-碳复合物阳极实现的高能量长循环全固态锂金属电池[15]、由硫化物SSE实现的无碳高负载硅阳极[14]以及由氯化物SSE实现的尽管这些贡献为SSB技术和开发带来了巨大的希望,但它们并不一定预示着未来的成功,因为实验室规模的SSB通常使用具有1-2mA h cm-2的低容量的高压模型电池进行测试到目前为止,除了少数研究小组和几家新兴公司,如QuantumScape,Solid Power、三星和丰田。对于商业制造,必须开发先进的制造工艺,例如湿浆料涂覆(图2(b))和干电极工艺,这需要系统工程来改善聚合物粘合剂、有机溶剂和各种SSE之间的化学相容性。此外,对于大型储能系统,应实现低的SSB自放电率(一个月内2%)。目前,大多数SSB都是在高压下制造和测试的,这在实际应用中导致了许多工程问题。因此,还应考虑在SSB制造和运行期间消除压力依赖。5. 结论总之,SSB由于其固有的安全性和高理论能量密度而风靡世界。然而,SSB在材料、界面和全电池水平上面临重大挑战。在材料层面,应该不断寻求具有高离子电导率、宽电化学稳定性、良好化学稳定性和大规模可行性的SSE同时,跨学科的表征和理论计算(例如,机器学习辅助材料选择)来寻找理想的SSE并理解其离子传输机制。在界面水平,界面电荷传输应被定制以实现快速动力学和长期稳定性。为了进一步完善接口策略,还应探索失效机制。在全电池水平,许多努力集中在改善SSB的电化学性能。虽然这一点很重要,但应同时做出同等努力,以开发可实现大规模SSB制造的经济和高吞吐量制造工艺。此外,对SSB的自放电特性、热稳定性、压力依赖性和成本等进行综合分析是其成功商业化的关键。我们希望这一观点将鼓励学术界和工业界的共同努力,使SSB技术的差异。致谢这项工作得到了加拿大自然科学和工程研究委员会、加拿大研究主席计划、加拿大创新基金会、安大略研究基金和西安大略大学的支持。C.王承认班廷博士后奖学金(BPF-180162)。引用[1] 王春,梁杰,赵勇,郑明,李新,孙新.硫化物电解质实现的全固态锂电池:从基础研究到实际工程设计。 能源环境科学2021;14(5):2577-619。[2] 刘华,程晓波,黄建清,袁华,陆永,严春,等。固态电解质中枝晶生长的控制。ACS Energy Lett 2020;5(3):833-43.[3] ZhangJ,Wang C,Zheng M,Ye M,Zhai H,Li J,et al. 石榴石型固体电池空气稳定完整阳极-电解质界面的合理设计。纳 米 能源2022;102:107672.[4] XiaW,Zhao Y,Zhao F,Adair K,Zhao R,Li S,et al. 用于固态电池的反钙钛矿电解质。Chem Rev2022;122(3):3763-819。[5] 王C,梁J,金俊俊,孙旭. 卤化物基全固态电池的展望:从材料设计到实际应用。 SciAdv 2022;8(36):eadc9516.[6] LiX,Liang J,Chen N,Luo J,Adair KR,Wang C,et al. 超离子卤化物固体电解质的水介导合成。Angew Chem Int Ed 2019;131(46):16579-84。[7] Wang C , Liang J , Luo J , Liu J , Li X , Zhao F , et al. A universal wet-chemistrysynthesis of solid state halide electrolytes for all-solid state lithium-metalbatteries. Sci Adv2021;7(37):eabh1896.[8] LiX,Liang J,Yang X,Adair KR,Wang C,Zhao F,et al. 全固态锂电池卤化物锂导体的研究进展与展望。能源环境科学2020;13(5):1429-61。[9] ZhouL,Zuo TT,Kwok CY,Kim SY,Assoud A,Zhang Q,et al. 采用氯化物固体电解质的高 面 容 量 、 长 循 环 寿 命 4 V 陶 瓷 全 固 态 锂 离 子 电 池 。 NatEnergy2022;7(1):83-93.C. Wang和X. 孙工程21(2023)3235[10] 陆勇,赵昌忠,黄建清,张清。锂电池复杂动力学过程的时标辨识解耦。Joule2022;6(6):1172-98。[11] ZhaoChz,Zhao BC,Yan C,Zhang XQ,Huang JQ,Mo Y,et al. 固态锂金属电池中固体电解质-电极界面的液相疗法: 综 述 。储能材料2020;24:75-84.[12] 王春,邓涛,范旭,郑明,于荣,陆勤,等。全固态锂电池软击穿的识别。 Joule2022;6(8):1770-81。[13] BatesAM,Preger Y,Torres-Castro L,Harrison KL,Harris SJ,Hewson J. 固态电池比锂离子电池更安全吗?Joule2022;6(4):742-55。[14] TanDHS,Chen YT,Yang H,Bao W,Sreenarayanan B,Doux JM,et al.硫化物固体电解质实现的无碳高负载硅阳极。Science2021;373(6562):1494-9.[15] LeeYG,Fujiki S,Jung C,Suzuki N,Yashiro N,Omoda R,et al. 高能量长循环全固态锂金属电池,由银碳复合阳极实现。Nat Energy2020;5(4):299-308.
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