為了更好的發(fā)展固態(tài)電池,德國(guó)吉森大學(xué)霍翰宇博士和Jürgen Janek教授在National Science Review上發(fā)表題為“Solid-state batteries: from 'all-solid' to 'almost-solid'”的展望文章,為未來固態(tài)電池的發(fā)展指明方向。
固液混合電池是介于固態(tài)電池和鋰離子電池之間的發(fā)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(jìn)離子傳輸?shù)哪z電解質(zhì),目前已被廣泛使用。在無機(jī)電解質(zhì)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(nèi)部曲率和阻抗。然而,這種“半”、“準(zhǔn)”或“偽”固態(tài)電池的設(shè)計(jì)通常也被統(tǒng)稱為“固態(tài)電池”,可能會(huì)造成一定的誤解。據(jù)推測(cè),基于凝膠聚合物電解質(zhì)的固液混合電池,其含液量大概為10 wt%至15 wt%。然而,高安全性的目標(biāo)只有在更小的含液量下才能實(shí)現(xiàn)(圖 1c)。本文提出“近乎固態(tài)”的概念,對(duì)應(yīng)含液量小于5 wt%的電池。并指出:即使是含液量為0%的全固態(tài)電池仍可能具有熱失控的風(fēng)險(xiǎn),所以固態(tài)電池的安全性仍然需要深入評(píng)估。
圖1. 基于不同電解液含量的各種電池對(duì)比圖
在“近乎固態(tài)”的概念中,液體成分需僅作為界面潤(rùn)濕劑而不承擔(dān)傳導(dǎo)離子的作用。而且,固/液界面需要化學(xué)穩(wěn)定,否則會(huì)發(fā)生界面副反應(yīng),從而導(dǎo)致電池性能的衰減。由于氧化物和硫化物電解質(zhì)都和有機(jī)溶劑具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性,因此利用小分子聚合物來替代傳統(tǒng)電解液可用來穩(wěn)定固/液界面。同時(shí)可以使用超濃電解質(zhì)或溶劑化離子液體,其中的鋰離子與極性溶劑之間的強(qiáng)相互作用能夠降低溶劑的活性,從而穩(wěn)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(tài)”電池,“近乎固態(tài)”可能是最具可行性的固態(tài)電池發(fā)展策略。少量液體界面添加劑可以降低電極內(nèi)部阻抗、緩解接觸失效、并保持長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。要從目前“半固態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;近乎固態(tài)”,需要更少的含液量(<5 wt%)。高離子電導(dǎo)率的液體電解液和固體電解質(zhì)(>10 mS cm-1)和相應(yīng)的固/液界面穩(wěn)定性都需要進(jìn)一步探索。同時(shí),需要通過優(yōu)化制造工藝和創(chuàng)新材料回收途徑來降低固態(tài)電池大規(guī)模生產(chǎn)的成本。我們有信心在不久的將來看到固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
原標(biāo)題:固態(tài)電池:從“全固態(tài)”到“近乎固態(tài)”