孙学良教授课题组EES综述：薄电解质助力高比能量固态锂金属电池

文章信息

基于薄电解质的高比能量固态锂金属电池的研究进展与展望

第一作者：杨晓飞，Keegan Adair

通讯作者：孙学良*

单位：加拿大西安大略大学

研究背景

随着电动汽车和便携式电子设备的发展，人们对于动力电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。具有高比能量和高安全性的固态电池成为下一代动力电池的首选。但是，研究表明，厚电解质引起的电池内阻过大，能量密度下降及成本提高在很大程度上限制了高比能量固态电池的产业化进程。开发薄电解质基的固态电池具有重要意义。

本篇综述深入讨论了薄电解质基固态电池的最新研究进展，并就如何进一步提高其电化学性能提出了一些建设性意见，为相关研究的未来发展提供了方向和思路。

文章简介

近日，来自西安大略大学的孙学良教授课题组在国际知名期刊Energy & Environmental Science（影响因子：30.289）上发表题为“Recent Advances and Perspectives on Thin Electrolytes for High-Energy-Density Solid-State Lithium Batteries”的综述文章。

图1. 电解质厚度与固态电池组分、电池能量密度及续航里程的关系图。

本文要点

要点一：薄电解质的制备方法

开发薄电解质有利于降低电池内阻，节约成本及提高电池的实际能量密度。目前，用于制备100 μm以下的薄电解质的方法包括刮涂法、流延法、液相灌入法、挤出法、冷/热压法及3D打印等。其中，液相灌入法和挤出法较适用于聚合物电解质、可溶性硫化物电解质及聚合物基复合电解质的大规模制备。对于硫化物电解质来说，需要对于液相灌入法制备的电极进行后续高温退火以恢复硫化物的高离子导。流延法是目前最为常用的高离子导氧化物电解质的制备方法。一般需要对制备的电解质进行高温处理以得到致密度高、离子导高的氧化物电解质。冷/热压方法能够最大程度上维持材料的本征特性，适用于较软的聚合物、硫化物及卤化物基电解质的制备。但是，电解质的面积受仪器限制，大面积及连续化制备能力较差。

要点二：基于不同锂金属固态电池体系的电解质优化设计

除了制备薄电解质外，我们需要对电解质进行合理的设计以满足不同锂电池体系的需求。Li-LFP是最简单的体系，也是对电解质要求最低的体系。Li-LFP的工作电压范围一般在2.5~4.0V之间，氧化物和聚合物的电化学稳定窗口都可以满足需求。因此，大部分文献报道主要集中于解决电解质/电解质界面问题及抑制锂枝晶生长。对于Li-LCO及Li-NMC的体系来说，其一般要求电解质具有更高的抗高压氧化能力（一般>4.2V）。因此，相比于Li-LFP体系来说，除了界面设计外，有大量的工作集中于提高电解质的电化学氧化窗口，如多层电解质的结构设计，锂盐设计及不稳定官能团替换等。Li-S电池体系相比于上述两个体系的不同点在于多硫化物的飞梭及放电过程中伴随着较大的体系膨胀。因此，有部分工作立足于缓解飞梭效应及适应体积膨胀。Li-O2体系除了较高充电电压对于电解质的耐氧化性的要求之外, 多孔电极的设计用于氧气传输及放电产物储存也是十分必要的。

要点三：先进表征技术用于锂离子传输机制及界面结构演变分析

利用先进的表征技术如原位X射线衍射、核磁、中子、透射电镜及X射线光电子能谱等对电解质及电解质/电极界面进行分析，从而研究电解质内部离子传输机制及界面结构的演变。这些表征手段及相关机理分析对于进一步提高电解质的离子导及优化电池结构具有重要意义。

要点四：软包电池中电解质厚度与能量密度关系研究

通过研究电解质的厚度（包括聚合物、氧化物及硫化物）对于电池（包括Li-LFP，Li-LCO，Li-NMC，Li-Li-rich及Li-S）质量能量密度及体积能量密度的关系，得出同时能够满足300 Wh kg-1及500 Wh L-1的相关参数。

结果表明，Li-S及Li-Li-rich电池由于活性物质较高的比容量在质量能量密度方面具有明显的优势。Li-LCO及Li-Li-rich电池在体积能量密度方面具有优势。但是，需要注意的是，在进行能量密度核算时，选择的Li-rich和LCO都是高压材料，相关研究报道较少。NMC-811是短期内有望实现突破的首选材料。为了实现高比能量，电解质的厚度需要控制在50 μm以内，最好30 μm以下。

要点五：总结和展望

由于安全性高及能量密度高等优势，固态电池受到了广泛关注。但由于厚电解质的应用引起电池内部极化较大，成本较高及能量密度偏低等问题，固态电池的性能还有待改善。本文总结了近年来基于薄电解质的固态电池的优化策略并加以分析。

在未来研究中，需要进一步开发适用于大规模及连续化的薄电解质制备技术。同时，需要解决薄电解质与正、负极的适配问题，如电解质的电化学稳定窗口，电解质与电极界面的匹配以及抑制锂枝晶生长等。此外，需要将各种表征技术进行联用来解决薄电解质固态电池体系中关键科学问题及解释其中的一些现象，为进一步提高固态电池的性能提供理论支撑和依据。最后，固态电池抑制致力于为电化学储能器件及电动汽车提供动力，基础研究和工程设计需要同时推进。

文章链接

Recent Advances and Perspectives on Thin Electrolytes for High-Energy-Density Solid-State Lithium Batteries.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02714f#!divAbstract

通讯作者介绍

孙学良 教授

加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编。

孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。已发表超过500篇SCI科学论文，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv.Funct. Mater., Acc. Chem. Res., Nano Energy等高水平杂志；编辑了4本科学著作和发表了18篇科学著作章节，同时获得18个美国专利授权；在国际会议、论坛等做了140多场次的主题和邀请口头报告。孙教授积极与工业界进行合作研究，目前的合作者包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、加拿大庄信万丰电池公司和中国动力电池创新中心。现在拥有40个成员的研究团队。课题组常年招收博士研究生和博士后研究人员（https://www.eng.uwo.ca/nanoenergy/home/index.html）

第一作者介绍

杨晓飞，加拿大西安大略大学材料工程学院博士后

2018年博士毕业于中科院大连化学物理研究所。杨晓飞目前主要研究方向为固态锂电池。其研究成果以论文形式在Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater.等期刊上发表60余篇。

Keegan Adair，加拿大西安大略大学材料工程学院博士研究生

Keegan目前主要研究方向为ALD以及MLD在能源领域的应用，同步辐射以及固态电池。其研究成果以论文形式在Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Nano Lett.等期刊发表80余篇。

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