用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

第一作者：Grayson Deysher，Phillip Ridley

通讯作者：孟颖

单位：加州大学圣地亚哥分校

背景

全固态电池（ASSBs）被认为是一种非常有前途的储能技术，因为与传统的基于液体电解质的电池相比，它具有更高的安全性和更宽的工作温度范围。虽然已经发现了具有与液体电解质相当的离子传导性的固体电解质，但制造具有高面积容量的固态全电池，并能在合理的电流密度下循环，仍然是一个主要挑战。

因此，注意力和研究工作必须转向解决限制ASSB性能的主要瓶颈问题上。

为了克服这些挑战，除了与金属锂阳极（包括无阳极电池设计）相关的重大体积变化所产生的机械方面之外，还需要对阴极复合材料内的离子和电子传输限制现象有一个定量和深入的了解，这可以从本文所述的适当的电化学测量中获得。

图1. 对现有文献的调查揭示了ASSB的性能限制。低电流密度和低面积负载（用点的大小表示）是比较常见的。

工作介绍

一、阴极复合材料中的动力学传输限制

容量利用率

阴极材料的电子和离子电导率往往相对较低，因此必须使用由活性材料、固体电解质和电子导电的碳添加剂组成的复合混合物。理想情况下，如果有一个精细分散的离子/导电的SSE/碳粒子网络，其中每个阴极粒子都被SSE/碳所包围，那么离子/电子在到达快速导电的SSE/碳之前必须只经过一个活性材料粒子。这将提高容量利用率和速率能力，因为电池的过电位较低，允许在达到电压极限之前利用更多的容量。相反，在分散性差的复合材料中，一些活性材料颗粒与SSE/碳隔离，电阻会更高，因此容量利用率会下降。因此，在ASSB系统中使用的混合方法和由此产生的阴极复合材料的形态对于实现良好的电池性能变得至关重要。为了优化阴极复合材料中所有三种成分的分布和界面接触面积，需要进行周密的形态学设计。也就是说，需要有足够的离子和电子传输来实现更高的电流密度和面积容量。除了复合电极的总孔隙率外，电解质和阴极颗粒的尺寸等形态参数也应得到优化。

图2. 优化阴极内电子和离子传输的方法以及对SSE电化学稳定性的考虑。

导电添加剂的形态

虽然电子导电添加剂对阴极粒子的利用至关重要，但如果阴极的氧化电位高于SSE的稳定性上限，它们也提供了SSE可以被氧化的场所。这是一种常见的情况，因为硫化物是最常用的SSE材料，因为它们的离子电导率很高，但它们的氧化稳定性是有限的，远远低于许多阴极材料的电位（图2g）。因此，当使用预计会氧化的SSE时，为最大限度地提高电子传输和阴极粒子的利用率，同时为了尽量减少复合材料中电解质氧化造成的电池阻抗增长，使用的碳重量百分比、表面积和形态是重要的考虑因素。

阴极和SSE界面接触的优化

尽管电池运行需要在阴极复合材料中建立一个连续的离子传导网络，但不应该忽视能量密度等实际考虑。当使用实际面积容量和高阴极重量百分比时，笨重的微米级SSE颗粒限制了阴极利用率（图2a,b），并限制了阴极复合材料的体积和重量容量。

提升界面润湿的策略：

（1）将SSE溶解在合适的溶剂中，然后将该溶液渗透到铸造的阴极中。

（2）在制作电极之前，可以将SSE直接涂在各个阴极颗粒上，而不是通过溶液处理渗透到阴极上。使用类似于浸润法的溶液工艺，SSE涂层可以沉淀到每个单独的阴极粒子的表面。这些涂层可以达到数百纳米的数量级，与传统的阴极和SSE粒子的混合物相比，这大大减少了复合材料中的非活性材料的数量，从而极大地提高了能量密度。这种策略还解决了阴极和自流层之间良好的界面接触的需要。这种接触的增加使得离子在阴极-SSE界面上的传输得到改善和更加均匀，从而通过减少界面阻抗提高了容量的利用率。

（3）除了尽量减少阴极复合材料中的非活性SSE的数量，还应该控制SSE隔离膜的厚度，以减少电池的非活性体积和重量，从而实现更高的能量密度。通过使用溶剂、聚合物粘合剂和浆液混合来分散SSE颗粒，这样就可以在阳极或阴极层的顶部浇注一层薄薄的（ /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端