Nature篇：全固态锂电的性能测试标准和商业化指标要求等

Posted 2021-04-28 锂电前沿

01

全固态锂电的性能测试标准和商业化指标要求

提高电化学储存装置的比能量、能量密度、比功率、能量效率和能量保持率是推动全固态电池发展的主要动力。然而，对全固态电池性能的一般评估往往很难从已发表的报告中得出，这主要是因为性能测量之间的相互依赖，但也因为缺乏基本的参考系统。在这里，作者提出的全固态电池只包含一个锂金属负极，β-Li3PS4固体电解质和Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2正极活性物质。作者使用这个最简单的系统来对全固态电池的性能进行基准测试。在Ragone类型的图表中，作者将硫代磷酸酯、氧化物、磷酸盐和聚合物全固态电池的文献数据与这种精简的电池进行了比较。利用关键性能参数的基本方程，确定了高能、大功率、实用型全固态电池的研究目标。

Benchmarking the performance of all-solid-state lithium batteries

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0565-1

02

锂电池固体电解质中的单原子层陷阱

为了全面了解锂离子在电池固体电解质中的传输机理，不仅要对其周期性晶格进行全面的研究，而且要对破坏理想周期性的非周期性特征进行全面的研究。目前，力学研究中只考虑了有限数量的点缺陷和晶界等非周期特征。在这里，作者发现了另一种显著影响离子传输的非周期特征，这种特征被称为“单原子层陷阱”(SALT)。在原型固体电解质Li0.33La0.56TiO3中，电子显微镜发现形成闭环的单原子层缺陷(即盐)无处不在。根据计算，这些缺陷环阻止了大量材料参与离子输运，从而严重降低了总电导率。这一发现指出了深入研究不同类型的非周期特征的紧迫性，并激励了对其他固体电解质的类似研究。

Single-atom-layer traps in a solid electrolyte for lithium batteries

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15544-x

03

单分散FeF2纳米晶正极的转化机理和性能研究

人们对过渡金属氟化物作为高能量正极材料在锂离子电池中的应用认识一直不足。在这里，作者提出了一个理想的体系，通过胶体合成单晶、单分散的氟化铁纳米棒来进行机理研究。单独使用离子液体电解质可获得高容量和优异的循环稳定性，形成稳定的固体电解质界面，防止粒子熔融。这种稳定性可在更高的速率(C/2)和更高的温度(50 °C)下持续200多个循环。高分辨透射电子显微镜揭示了复杂的形貌特征、晶格取向关系和氧化态变化，全面描述了转化机理。表面特异性反应对相演化、扩散动力学和电池失效有重要影响。这一新的发现展示FeF2固有的高放电倍率能力。

Understanding the conversion mechanism and performance of monodisperse FeF2 nanocrystal cathodes

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0621-z

04

玻璃态固体电解质中的低温明轮效应

该工作采用分子动力学方法刻画了典型玻璃态75Li2S–25P2S5中锂离子的迁移过程，发现锂离子的迁移是通过如下联合机制发生的：锂离子的协同运动与PS43-阴离子的定向运动相结合。其中，阴离子的定向运动效应被称为“明轮”机制。明轮机制一般出现在高温结晶聚合物中。与结晶材料相比，玻璃材料中的明轮动力学有助于室温下离子的迁移。通过刻画与离子迁移的空间、时间、振动以及能量的关联性，证实了明轮效应对Li+迁移的贡献。此外，玻璃中的动力学与稳定的结晶类似物γ-Li3PS4中的动力学不同。在γ-Li3PS4中，阴离子重定向被忽略，离子迁移率降低。因此，这些体系可能是寻找新的固体电解质的方向。

Low-temperature paddlewheel effect in glassy solid electrolytes

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15245-5

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银碳复合负极实现的高能长循环全固态金属锂电池

全固态锂金属电池被认为是超越传统锂离子电池的有力竞争者。然而，不可避免地锂枝晶生长和库伦效率低等问题阻碍了它们的实际应用。为解决这一问题，韩国三星先进技术研究所Yong-Gun Lee、Dongmin Im 和三星在日本大阪研究中心的Yuichi Aihara等人通过使用不含过量锂的银-碳纳米复合阳极和硫化物电解质构建了一种高性能全固态锂金属电池。研究发现，复合阳极能够有效调节金属锂的沉积-剥离过程，增加电极-电解质界面稳定性，从而赋予全电池以更长的电化学寿命。全电池测试过程中，研究人员采用具有高比容量（> 210 mAh g-1）和高面容量（> 6.8 mAh cm-2）的高镍层状氧化物阴极，以银辉石型硫化物为固态电解质，并利用等温静压技术来改善电极与电解质之间的界面接触。所组装的原型袋式电池（0.6 Ah）在60 ℃表现出高能量密度，超过99.8%的稳定库仑效率和长循环寿命（1000圈）。

High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0575-z

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抑制锂硫电池穿梭效应新方法

随着电子设备和电动汽车的快速发展，人类对于高能量密度电池的需求日益增加。由于锂硫电池具有高理论比容量、高能量密度、环境友好和低成本等优点，已经成为最具潜力的新一代储能器件，然而多硫化物的“穿梭效应”严重影响了锂硫电池的循环寿命，进而阻碍了其进一步商业化应用。目前大部分抑制多硫化物“穿梭效应”的研究主要集中在锂硫电池载硫材料的制备。载硫材料大致可以分为两类：一类是基于物理束缚作用的非极性碳基材料，另一类是基于化学吸附作用的极性杂原子掺杂碳材料和金属化合物，但是这两类电极材料都存在制备工艺复杂和载硫量过低等问题，同时充放电过程中存在严重的体积变化而导致的不可恢复的结构破损难题。在电极/电解液界面构建一个可恢复的保护层是解决上述问题的有效方法之一，因此如何在抑制多硫化物“穿梭效应”的同时实现界面保护层的可恢复性是值得探究的课题。

Switchable encapsulation of polysulfides in the transition between sulfur and lithium sulfide

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14686-2

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原位AFM-ETEM观察锂晶须生长及应力产生

锂金属被认为是未来可充电电池的最终负极材料，但由于锂枝晶的不可控生长，锂金属电池的发展受到了严重制约。于是人们寄希望于固态电解质，希望用机械刚性固态电解质这座“大山”来压制锂枝晶生长。然而，现实是残酷的，多位研究者发现锂枝晶仍然能在固态电解质中生长。解决这个问题需要对锂枝晶的生长和相关的电化学力学行为有一个基本的理解。作者将原子力显微镜与环境透射电子显微镜（AFM–ETEM）进行巧妙结合，实现了观察锂晶须原位生长的同时，对其进行了应力测量。

Lithium whisker growth and stress generation in an in situ atomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x

08

固体电解质中氧化还原活性与电化学稳定性的关系

全固态锂离子电池保证了更安全的电化学能量存储，具有更大的体积能量密度和重量能量密度。一个主要的问题是固体电解质的有限的电化学稳定性和相关的有害电化学反应，特别是因为我们的认识有限。在这里，作者论证了固体电解质不是通过固体电解质的(脱)锂状态直接分解成热力学稳定的分解产物，而是固体电解质的电化学稳定窗口明显大于直接分解的预测，使观察到的稳定窗口合理化。所提出的机制的基本性质表明，这通常是固体电解质的一个关键方面，对全固态电池材料设计具有指导作用。

Clarifying the relationship between redox activity and electrochemical stability in solid electrolytes

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0576-0

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