相比于“全固態”電池,“近乎固態”可能是最具可行性的固態電池發展策略。少量液體界面添加劑可以降低電極內部阻抗、緩解接觸失效、并保持長期循環穩定性。

用固體電解質替代易燃電解液的全固態電池,有望在實現高能量密度的同時,提高電池的安全性。然而,盡管很多公司很早以前就開始布局全固態電池發展路線,但大多數公司都未能按時發布其全固態電池產品。這是因為關鍵的固體電解質及其界面問題尚未得到很好的解決。相比于鋰離子電池,目前全固態電池在循環穩定性、倍率性能和能量密度方面的競爭力仍然較低。此外,制備固體電解質的高成本、電池循環所需的壓力設備都對全固態電池的規?;a造成障礙。

為了更好的發展固態電池,德國吉森大學霍翰宇博士和Jürgen Janek教授在National Science Review上發表題為“Solid-state batteries: from 'all-solid' to 'almost-solid'”的展望文章,為未來固態電池的發展指明方向。

固液混合電池是介于固態電池和鋰離子電池之間的發展路線。例如,在聚合物電池中添加一定量的電解液,能夠形成具有促進離子傳輸的凝膠電解質,目前已被廣泛使用。在無機電解質電池中,電解液能夠填充空隙,增加界面接觸面積,從而降低電極內部曲率和阻抗。然而,這種“半”、“準”或“偽”固態電池的設計通常也被統稱為“固態電池”,可能會造成一定的誤解。據推測,基于凝膠聚合物電解質的固液混合電池,其含液量大概為10wt%至15wt%。然而,高安全性的目標只有在更小的含液量下才能實現(圖1 c)。本文提出“近乎固態”的概念,對應含液量小于5wt%的電池。并指出:即使是含液量為0%的全固態電池仍可能具有熱失控的風險,所以固態電池的安全性仍然需要深入評估。

基于不同電解液含量的各種電池對比圖

圖1. 基于不同電解液含量的各種電池對比圖

在“近乎固態”的概念中,液體成分需僅作為界面潤濕劑而不承擔傳導離子的作用。而且,固/液界面需要化學穩定,否則會發生界面副反應,從而導致電池性能的衰減。由于氧化物和硫化物電解質都和有機溶劑具有較強的反應活性,因此利用小分子聚合物來替代傳統電解液可用來穩定固/液界面。同時可以使用超濃電解質或溶劑化離子液體,其中的鋰離子與極性溶劑之間的強相互作用能夠降低溶劑的活性,從而穩定液/固界面。最近,原位聚合也被用來降低固液混合電池中的液體含量,然而其聚合程度還需更好的定量控制。

相比于“全固態”電池,“近乎固態”可能是最具可行性的固態電池發展策略。少量液體界面添加劑可以降低電極內部阻抗、緩解接觸失效、并保持長期循環穩定性。要從目前“半固態”轉變為“近乎固態”,需要更少的含液量(<5>10 mS cm-1)和相應的固/液界面穩定性都需要進一步探索。同時,需要通過優化制造工藝和創新材料回收途徑來降低固態電池大規模生產的成本。我們有信心在不久的將來看到固態電池實現商業化應用。

[責任編輯:陳長清]

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