吕松教授团队解密全固态锂离子电池宽温域难题！登顶《AEM》：全固态锂离子电池在宽温度范围的应用：挑战、进展和前景

全固态锂离子电池 （ASSLBs） 因其卓越的安全性能和高能量密度而受到广泛关注，使其成为下一代具有广泛应用潜力的储能技术。然而，ASSLBs的性能会受到极端温度的显著影响。在低温下，离子传输受阻，导致严重的电池极化。相反，在高温下，内部副反应和相变加剧，从而加快了材料降解和热失效的发生。这些挑战限制了ASSLBs的广泛市场化应用。因此，扩大 ASSLBs 的工作温度范围对于其商业化至关重要。本文系统性地研究了温度变化对电极材料、固态电解质(SSE)和 ASSLBs界面性能的影响，其中特别描述了不同材料的 Li+ 传输机制和热失效机制。随后分析和思考了该领域当前遇到的挑战和解决方案。最后，提出了在极端温度下提高 ASSLBs 性能的未来研究方向。

近日，来自武汉理工大学材料科学与工程学院的唐小钧、冯梦琪、吕文浩和导师吕松教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Applications of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Across Wide Temperature Ranges: Challenges, Progress, and Perspectives”的综述文章。该综述研究了全固态锂离子电池在极端温度下面临的挑战，分析了当前全固态锂离子电池中电极材料、固态电解质以及界面在极端温度下的失效机制。同时评估了该领域当前的研究进展并提出了未来的方向，重点介绍了通过材料设计、界面工程和结构优化来扩展工作温度范围的先进策略，为极端条件储能研究提供了基础和深入的见解。

图1. 本综述的研究领域和方向。

正极材料节详细概述了当前主流和新兴正极材料在极端温度条件下的失效机制和改性策略。低温下正极材料的主要挑战是解决在一些材料的低离子电导率和体积膨胀问题。在高温下，重点转移到减轻相变和界面副反应上。这些领域代表了未来研究的主要方向。展望未来，正极材料的发展预计将集中在多样化的材料设计、新颖的合成方法和界面工程上。通过组合各种材料，可以实现能量密度和循环性能之间的平衡。新合成技术的发展将进一步推进对正极材料的研究。例如，纳米材料和多孔材料可以显着增强电子和离子传输特性。界面工程，对于解决与全固态锂离子电池相关的安全问题至关重要。这些改性的正极材料将在延长全固态锂离子电池系统的工作温度范围内发挥关键作用。

文章将SSE分为两部分，详细讨论了固体聚合物电解质和无机固态电解质在低温和高温下的失效机制。此外，根据具体的失效机制总结了当前主流的改性策略。作为全固态锂离子电池系统的核心部件，SSE由于与正极和负极直接接触而受温度的影响最大。SSE 的物理性质和结构的变化会显著影响正极、SSE、负极和电极之间的界面，导致电池材料不可逆地降解。因此，提高SSE在不同温度下的电导率、稳定性和界面接触将是未来的重点研究方向。目前，共聚、掺杂、电极-SSE一体化设计、新型合成工艺和新型 SSE材料开发等策略有望推动该领域的重大进步。

该部分总结了前文中描述的界面改性工程（例如，表面涂层、掺杂、导电框架、人工 SEI、人工 CEI等），这些策略可以有效降低电极和SSE之间的界面阻抗，增强界面的化学和电化学稳定性，并为高效的Li⁺传输创造良好的动力学环境，同时还提出了独特的见解。未来有必要开发能够适应低温和高温的新型改性材料。结构改性（例如，纳米级工程、复合、增塑剂、共聚、填充）可以提高材料的热稳定性、化学稳定性和离子电导率。此外，纳米级工程增加了电极和 SSE 之间的接触点，提供了更多的离子传输通道。然而，增加接触也可能加剧界面副反应。因此，在选择界面修饰策略时，必须综合考虑极端高温和低温对修饰结果的影响。通过战略性地设计界面修改方法，使其在高温和低温条件下都能有效运行，可以显著扩展全固态锂离子电池的工作温度范围，提高其在极端环境下的适用性和可靠性，并促进其在实际应用中的广泛部署。

尽管目前的研究成功地拓宽了全固态锂离子电池的应用温度范围，但仍有许多挑战需要进一步解决。随着全固态锂离子电池的未来应用场景逐渐从电动汽车转向航空航天和深海探测，对全固态锂离子电池的应用温度范围提出了更高的要求。文章基于当前研究存在的问题，在机制、改性策略和安全性能三个方面对全固态锂离子电池的未来发展进行了展望。