河北大学梁耀辉，北京理工大学陈楠EnSM综述：从“平衡”角度出发，讨论高性能锂金属电池固态电解质制备面临的挑战

在锂金属全固态电池中，作者针对无机固态电解质，提出成本和锂离子电导率、界面电子和锂离子传输与厚度和机械强度的平衡挑战；针对有机固态电解质，提出锂离子迁移数和锂离子电导率、机械性能与锂离子导电性和氧化与还原稳定性的平衡挑战；针对复合固态电解质，提出结构与锂离子传输和组分与界面相互作用的平衡挑战。从以上角度出发，讨论了固态电解质的先进制备方法和精细结构设计，并对固态电解质的未来研究和发展进行展望。

第一作者：梁耀辉

通讯作者：梁耀辉* 陈楠*

单位：河北大学，北京理工大学

固态锂金属电池因具有高能量密度、快速充放电能力以及优异的安全性能，被视为替代传统液态锂离子电池的理想电池体系。作为其核心组件，固态电解质在提高锂金属电池的安全性和能量密度方面有着重要作用。然而，单一的固态电解质具体电化学性能之间往往相互依赖甚至相互矛盾，综合电化学性能的不足使固态电解质难以满足实际应用需求。

近日，河北大学梁耀辉副教授发表题为 “A brief review of engineering “balance” challenges for electrolytes of all-solid-state lithium metal battery” 的综述文章系统阐述了无机固体电解质、聚合物电解质和复合固体电解质的发展现状，针对固态电解质综合电化学性能提升的研发难点，提出了具体的电化学性能“平衡”挑战，并讨论了应对策略，特别是先进的制备方法和复杂的结构设计方案（如图1所示），旨在为固态电解质的性能提升和应对实际应用挑战提供参考。

1.1成本与锂离子电导率

成本是人们对于ISEs规模化生产的重要关切。原材料和加工成本是构成ISEs生产成本的主要方面。其中，原材料价格对于硫化物和卤化物固态电解质成本的影响显著高于对于氧化物固态电解质的影响，而加工工艺尤其是处理温度对于氧化物固态电解质成本的影响则更为显著。因此，元素取代和低能耗烧结工艺的开发对于降低ISEs成本尤为重要。

固态电解质的界面问题包括源自界面电子转移的化学反应，锂离子再分布形成的空间电荷层和结构失效造成的传输路径阻碍。应对策略包括构筑复合正极，预成型结构和界面缓冲层。

OSEs具有优良的加工性能，然而OSEs的弹性模量较低，不足以抑制锂枝晶生长。依据自由体积理论，聚合物结晶度和分子链缠绕提升OSEs模量伴随着聚合物基体自由体积的减小，OSEs离子电导率降低。目前的应对策略主要包含分子结构改性和二次相掺杂两个方面。

OSEs的本征黏附性有利和电极产生紧密物理接触，然而，高吸附能造成界面电荷再分配，使OSEs带隙变窄，化学反应活性升高。作者分别介绍聚合物大分子、锂盐阴离子和溶剂分子的氧化和还原分解机制，并具体阐释聚合物分子功能化设计方案。

3.1 锂离子传输机制与几何结构设计

HSEs中存在多种Li⁺传输路径，因此ISEs含量与电导率并非简单的线性关系，存在一个最佳含量（逾渗阈值）。ISEs含量过低，仅起增强剂作用；含量过高，会导致填料团聚，界面阻抗剧增，反而阻塞离子通道。通过构建连续互穿的3D离子导电网络（如使用纳米线、3D骨架结构），使ISEs含量在超过逾渗阈值下形成高速Li⁺传输通路。

由于ISEs和OSEs的电化学势不匹配，Li⁺会自发从高化学势侧向低化学势侧迁移，在界面处形成内建电场。这会导致界面Li⁺耗尽，极大增加界面阻抗。同时，ISEs与OSEs之间可能发生化学副反应，生成惰性界面层，进一步阻碍Li⁺传输。

不同种类固态电解质技术路线各自具有明显的优点和缺点。在实际应用中，成本，能量密度，电化学和机械稳定性都需要平衡，尽管多种先进制备方法和精细结构设计在解决电解质电化学性能特定性能平衡方面具有显著效果，对固态电解质基本性质深入了解的匮乏依然是固态电解质综合性能提升的主要障碍。这不仅是因为对固态电解质表征的技术困难，也是因为包括机械-电化学在内的多场耦合特性具有的挑战。将先进的原位表征和模拟相结合，结合高通量计算方法，将有助于探索电解质电化学特性基础问题，加速材料的开发。

A brief review of engineering “balance” challenges for electrolytes of all-solid-state lithium-metal battery

梁耀辉，河北大学电子信息工程学院“校聘”副教授。2023年博士毕业于北京理工大学，同年入职河北大学电子信息工程学院，主要从事锂离子电池电极与固态锂金属电池电解质研究。迄今以第一作者身份的发表SCI论文发表在Energy storage Mater.，Chem. Eng. J.等国际学术期刊，参与实施国家自然科学基金面上项目，主持河北省自然科学基金项目。

陈楠，北京理工大学副教授，博士生导师。本科毕业于南开大学，博士毕业与北京理工大学，师从吴锋院士，曾在北京大学做博士后研究，合作导师郭少军。长期从事锂二次电池电解质材料和电化学机理的研究，在电解质材料的设计、结构调控和电极界面表征方面，有丰富的研究经验和基础。作为课题负责人承担国家自然科学基金面上项目和青年项目，北京市自然科学基金项目，山东省重点研发项目，中国博士后基金面上资助，中国博士后基金特别资助等，参与国家重点研发计划“新能源汽车”等项目。迄今以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Edit.，Energ. Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊共发表SCI学术论文60余篇，授权发明专利10项，研究成果获得2018年颗粒学会优秀博士论文奖，获2020年北京市科学技术奖一等奖，获2023年中国材料研究学会科学技术奖一等奖，获2023年中国产学研合作创新与促进奖。