【综述】天津大学杨全红、吴士超&中国科学院物理研究所李泓：固态锂电池安全性剖析及展望

1. 指出固态电池安全性被高估。

2. 介绍电池安全性研究与评估方法。

3. 讨论固态电池安全性与电解质性质关联。

4. 总结全固态电池安全性改进策略。

在“碳达峰、碳中和”和“电动中国”战略目标下，以新能源为主体的新型电力系统将成为我国能源领域发展的关键，而高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命的储能电池是新型电力系统的必要组成部分。目前广泛使用的储能电池基于液态电解液，在较低的温度下易发生固态电解质层（SEI）的分解，触发电解液燃烧、隔膜熔化和电极分解放热等一系列的热失控行为，存在起火爆炸的风险，引发安全事故。基于固态电解质的固态电池、机械稳定性好，被理所当然地认为可以抑制热失控，防止锂金属负极生长枝晶，成为下一代高能量密度、高安全和长寿命新型储能系统的首选。

图1. 液体和固体电池的热失控过程示意图

固态电解质（SEs）包含聚合物电解质（SPEs）、无机电解质（ISEs）、聚合物/陶瓷复合电解质等。无机电解质中石榴石电解质具有离子传导率高、机械性能强等优点，硫化物基电解质具有离子传导率高、晶界阻抗低等优点，被誉为下一代锂电池最有前景的SEs，并引起人们的广泛关注。但最近研究发现，枝晶会在固态电解质中生长，固态电解质与锂界面有可能发生燃烧反应剧烈放热，表明固态电池的安全性可能被高估。目前，液态电池热失控过程已经获得较全面理解，但缺乏对固态电池（正极、负极、SEs、全电池等）安全稳定性的系统分析。

固态电池的安全性，主要包括电化学、化学、热稳定、机械稳定性和锂枝晶形成行为等重要参数。其中，电化学/化学稳定性影响着电池内部的化学环境（副产物、气体等），机械稳定性与电池的一体化（变形、破损和密封损坏）密切相关，热稳定性是决定电池可燃性的一个关键因素，锂枝晶会诱发电池短路，造成安全风险。作者主要从这几方面系统地剖析固态电池的安全性能。

图2. 固态电池安全性能的影响因素与评价标准

首先，文章全面总结了商业化电池安全评估方法，包括国际电工委员会（IEC）、国际标准化组织（ISO）、美国的保险商实验室公司（UL）和汽车工程师协会（SAE）、日本的工业标准（JIS），中国的全国汽车标准化技术委员会以及工业和信息化部门发布的安全评价标准，主要涉及热、电和机械测试等。

表1. 电池安全性能评价标准

其次，主要介绍了石榴石和硫化物的晶体结构、离子传输机制和改进策略，讨论了锂枝晶在固态电解质中的形成、生长机制及改善方法，总结分析了固态电解质电化学/化学稳定性、机械稳定性、热稳定性，以及它们对电池安全的影响。文章强调了电池阻抗与电池运行期间和滥用条件下焦耳热的产生高度相关，大电流密度下高阻抗可能导致热量释放和快速升温，进一步对固态电池在高温情况下的热稳定性进行了总结与讨论。

图 3. 固态锂离子电池高温热稳定性

最后，作者总结和展望了固态电池安全性研究。虽然固态电池具有较高的安全潜力，但仍欠缺系统性、全面性评估。作者提出高电化学性能和良好安全性的固态锂电池的发展不仅依赖于SEs的特性，还需稳定SEs与电极之间的界面，解决正极相关安全问题，构建从内到外的导热路径，研究滥用状况下的电池安全。包括（1）持续提升SEs的离子传导率；（2）由于锂枝晶在SEs内形成难以避免，可发展非锂负极（硅等）替代锂负极实现固态电池高安全性；（3）固态电池（SEs、正极材料、添加剂和粘合剂）热传导性较差，将减少热量产生的表面涂层技术与快速传热的结构相结合；（4）建立针对固态电池的安全认证标准，包含过度充电、挤压、受冲击、短路和针刺等评估。

Solid-state lithium batteries: Safety and prospects

Y. Guo, S.C. Wu*, Y.-B. He, F.Y. Kang, L.Q. Chen, H. Li*, Q.-H. Yang*

eScience 2 (2022) 138-163

DOI: 10.1016/j.esci.2022.02.008

通讯作者  杨全红

天津大学化工学院北洋讲席教授 博士生导师

国家杰出青年科学基金获得者，教育部领军人才，国家重点研发计划首席科学家，Energy Storage Materials副主编，科睿唯安“全球高被引学者”和爱思唯尔“中国高被引学者”。从事碳功能材料和先进电池研究，在致密储能、锂硫催化和钠电池筛分型负极方面持续取得进展。

课题组网站：

http://nanoyang.tju.edu.cn/index.htm

通讯作者  李泓

中国科学院物理研究所研究员 博士生导师

1999年获中国科学院物理研究所博士学位。主要研究方向为电池基础研究，如离子电子输运、尺寸效应、界面现象、结构演化等；以及应用研究，如高能量密度锂离子电池硅基负极、固态锂离子电池、电池失效分析等。2012年起担任中国科学院SPRP“电动汽车电池”五年计划负责人，并担任中国科技部先进能源委员会委员。担任《固体离子学》和《离子》的区域编辑。先后发起成立了天目湖先进储能研究院、长三角物理研究中心、北京卫蓝新能源科技有限公司、天目先导材料科技有限公司、海钠电池科技有限公司等。

第一作者及通讯作者  吴士超

天津大学化工学院研究员 博士生导师

2017年毕业于日本筑波大学，随后在日本产业技术综合研究所进行博士后研究，2018年加入天津大学。主要从事新能源电池方面的研究，包括锂离子电池硅负极材料、锂空气电池和固态电池方向。担任Carbon Energy青年编委。

第一作者  郭勇

天津大学化工学院博士研究生。于2013年获得新疆大学硕士学位。研究方向为先进氧化物固态电池的设计及界面研究。

eScience (国际刊号ISSN：2667-1417；国内出版物号CN12-1468/O6) (《电化学与能源科学（英文）》)，致力于发表能源、电化学、电子学和环境相关领域及其交叉学科具有原创性、重要性和普适性的最新研究成果。成功入选2020年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，2022年初被DOAJ数据库收录。目前，eScience已有四期论文上线，受到海内外专家学者的广泛关注。未来，将继续提升国际学术影响力，服务科技强国建设，助力“碳达峰”和“碳中和”国家重大战略目标。

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