固態(tài)電池（SSB），即鋰離子電池中的易燃液體電解質(zhì)被固體電解質(zhì)（SSE）取代，具有比常規(guī)鋰離子電池更高能量密度和安全性的潛力。然而，SSB通常需要使用具有高容量和長期穩(wěn)定性的電極材料。合金負(fù)極為高性能SSB提供了獨(dú)特的力學(xué)優(yōu)勢，且可使其能量密度與其他高性能替代品相媲美。

在此，美國佐治亞理工學(xué)院Matthew T.McDowell等人總結(jié)了在SSB中使用合金負(fù)極的可能優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。首先，作者探討了基于合金負(fù)極的SSB的預(yù)測能量密度/比能量?；诤辖鹭?fù)極的SSBs超過了傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度/比能量，且接近鋰金屬電池的能量密度。然后，作者討論了在固態(tài)環(huán)境中使用合金與其在液體中的使用相比及與其他SSB負(fù)極材料相比的預(yù)期力學(xué)優(yōu)勢。在沒有復(fù)雜活性材料結(jié)構(gòu)的情況下，在固態(tài)環(huán)境中更容易實(shí)現(xiàn)合金負(fù)極的穩(wěn)定長期循環(huán)。

與鋰金屬負(fù)極相比，使用“主體”材料（如合金或石墨）來包含鋰可避開SSB中枝晶生長和界面接觸損失的問題。根據(jù)電池設(shè)計(jì)的不同，施加在SSB上的堆棧壓力有助于控制合金材料在反應(yīng)過程中的形態(tài)變化。此外，利用剛性電池設(shè)計(jì)在體積膨脹過程中在負(fù)極內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，這可能會提高材料的耐久性。

圖1. 在SSB中使用合金負(fù)極的力學(xué)優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

接下來，作者討論了在SSB中使用合金負(fù)極的研究問題和挑戰(zhàn)。與在SSB中使用合金負(fù)極相關(guān)的一個(gè)普遍科學(xué)問題是，是否可在復(fù)合或純電極中控制每個(gè)循環(huán)中發(fā)生的體積和結(jié)構(gòu)變化，以保持固-固電化學(xué)界面的連接性。

因此，需要研究合金負(fù)極與各種SSE材料的動(dòng)態(tài)化學(xué)和機(jī)械相互作用。另一個(gè)重要方面是施加的堆棧壓力對材料和界面演變的作用，即堆棧壓力大小如何影響界面處的局部應(yīng)力、界面連通性和合金材料循環(huán)變形需要進(jìn)一步研究。此外，SSB電極設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是電極內(nèi)需要支撐足夠離子/電子傳輸?shù)穆窂?，從而?shí)現(xiàn)快速充放電。

圖2. 電解質(zhì)厚度和合金負(fù)極體積分?jǐn)?shù)對電池能量的影響

總之，基于合金負(fù)極的SSB非常具有吸引力，因?yàn)槠渚哂斜仁?fù)極更好的抗短路性、長期穩(wěn)定性及更好的能量指標(biāo)。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用，需要開展基礎(chǔ)和應(yīng)用工作來促進(jìn)對SSB中合金材料演變的理解和控制。鑒于對改進(jìn)的儲能解決方案的巨大需求及可能受益于不同電池化學(xué)成分的各種應(yīng)用和案例，開發(fā)基于合金負(fù)極的SSB似乎是當(dāng)務(wù)之急。

The promise of alloy anodes for solid-state batteries, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.05.016