當(dāng)前，無機(jī)固體電解質(zhì)Li⁺電導(dǎo)率的巨大改進(jìn)重新引發(fā)了研究人員對開發(fā)固態(tài)電池的興趣。對于采用鋰金屬負(fù)極的固態(tài)電池，目前限制循環(huán)壽命的主要挑戰(zhàn)是鋰生長對固體電解質(zhì)的滲透及由此產(chǎn)生的短路。與鋰金屬的挑戰(zhàn)不同，固態(tài)正極必須應(yīng)對由于活性材料的膨脹和收縮而形成的裂紋。

在此，北美豐田研究所John Muldoon等人概述了固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)、為緩解這些挑戰(zhàn)所做的嘗試及對最有希望的成功途徑的看法。作者首先討論了鋰生長和滲透的挑戰(zhàn)，然后介紹成核“熱點(diǎn)”形成的主要原因。鋰生長和滲透的主要原因是Li⁰的緩慢表面擴(kuò)散，這放大了鋰電鍍/剝離的局部電流密度的不均勻性。

為此，作者總結(jié)了緩解鋰增長和滲透的有前途策略：

（1）在鋰負(fù)極和固體電解質(zhì)之間構(gòu)建人工SEI；

（2）使用高表面積基底將局部電流密度降低至遠(yuǎn)低于臨界電流密度；

（3）在負(fù)極中加入鋰合金材料以增強(qiáng)Li⁰擴(kuò)散；

（4）使用高Li⁺導(dǎo)電性固體電解質(zhì)。固態(tài)電池必須應(yīng)對的第二個挑戰(zhàn)是由于活性材料膨脹和收縮而在電極或固體電解質(zhì)隔膜層內(nèi)形成裂紋。裂紋阻礙了鋰離子的傳導(dǎo)，導(dǎo)致電池電阻升高并降低了活性容量。在討論了鋰滲透之后，作者探討了裂紋的形成及可能的預(yù)防方法。

圖1. 鋰剝離過程中鋰/固體電解質(zhì)界面處形成空隙及伴隨的界面電阻變化

最后，作者簡要概述了擴(kuò)大固體電解質(zhì)生產(chǎn)規(guī)模的一些挑戰(zhàn)：一方面，一些反應(yīng)物更昂貴，例如Li₂S和價格較低的P₂S₅。此外，加工條件和方法在確定制造電解質(zhì)的成本方面也起著重要作用。最后，許多無機(jī)固體電解質(zhì)需要加熱步驟來使產(chǎn)物結(jié)晶并提高離子電導(dǎo)率。這些事實(shí)表明，如果要實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池，就必須投入更多的精力來開發(fā)成本更低的制造技術(shù)。通過總結(jié)本文討論的策略，有可能最終實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)的圣杯，即鋰金屬負(fù)極。

值得重申的是，即使實(shí)現(xiàn)了鋰金屬負(fù)極，正極也可能由于活性材料膨脹和收縮引起的壓力變化而形成裂紋，從而限制循環(huán)壽命。通過使用具有柔軟機(jī)械性能的電解質(zhì)來維持和緩沖循環(huán)過程中活性材料的體積變化，可以提高正極的循環(huán)壽命。總之，有這么多可行的研究路徑可供探索，固態(tài)電池研究的未來是光明的。

圖2. 循環(huán)過程中由于活性材料膨脹和收縮而產(chǎn)生的開裂

The quest for the holy grail of solid-state lithium batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00842D