山东大学王亚楠ESM：堆栈压力-固态电池性能优化的关键策略与挑战

第一作者：喻锦松

通讯作者：王亚楠*

单位：山东大学

固态电池作为下一代能源动力和存储系统的核心，已经受到全球学术界与工业界的共同关注。然而至今为止，固态电池的实际应用仍面临诸多挑战，包括电极与固态电解质（SE）界面接触不良、界面稳定性较差、SE与电极材料离子电导率低下等，并进一步影响固态电池的容量、倍率性能、循环寿命和安全性。现有研究表明，施加适当的堆栈压力是改善固态电池界面接触质量、增强界面稳定性以及提高材料离子电导率的关键因素，有必要通过文献回顾全面总结堆栈压力在固态电池性能优化方面的重要作用和面临的挑战，并对未来的研究和发展方向进行展望。

为此，山东大学王亚楠副教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Stack pressure-A critical strategy and challenge in performance optimization of solid state batteries ”的综述文章。该文章全面分析了堆栈压力对固态电池中电极-固态电解质界面、电极材料和固态电解质材料的影响及机理，讨论了能够有效降低堆栈压力的方法和策略，并对未来的研究方向进行了展望。

图1 本文总体架构

堆栈压力对固态电池界面的影响，涵盖界面接触质量和界面稳定性两个方面。在界面接触质量方面，堆栈压力能够通过激发电极蠕变、抑制电极体积变化、提高界面粘附性等实现电极 固态电解质界面接触的改善。同时施加压力需适中且均匀，否则会造成界面接触的恶化。在界面稳定性方面，堆栈压力有助于稳定锂沉积和锂剥离过程，并抑制锂枝晶的生长，但是不同压力条件对界面稳定性的影响效果不同，需要确定合适的压力水平，同时注意锂沉积与锂剥离对压力需求的差异性。总之，明确堆栈压力对固态电池界面的影响机理及施加方式，对提升固态电池性能和稳定性至关重要。

图2 堆栈压力对界面稳定性的影响

要点二：堆栈压力对固态电池材料的影响

堆栈压力能改变电极材料与固态电解质材料的物性参数，进而影响固态电池的性能。对固态电解质而言，施加适当的压力可提高离子电导率，其作用机制包括增加颗粒间固-固接触、诱导相变、改善离子传输均匀性等，但过高的压力会降低电解质的离子电导率。对于电极材料，堆栈压力能够抑制电极充放电过程中的体积变化，调节电极孔隙率并提高电子导电性，修复电极裂纹。但是，电极在较高压力下多次循环可能会形成大裂纹，这在一定程度上有助于释放内部应力、提高电池循环稳定性。

要点三：降低堆栈压力的方式

降低固态电池堆栈压力的方式主要包括构筑新型界面、采用新型材料和使用新型工艺等。通过在界面处添加具有高变形能力、高离子导电性或高粘结性的涂层，或者设计多孔状或锯齿状的特殊结构界面层，可以构筑新型界面，改善界面接触和稳定性，降低堆栈压力。采用高变形能力、高粘结性或高渗透性的材料制备固态电解质，采用单晶材料、低体积变化率材料或高离子导电性材料制备正极，采用细晶颗粒材料或液态金属溶液制备负极等也是降低堆栈压力的有效途径。此外，采用湿浆工艺、干膜工艺以及高温加热等新型加工工艺，也能够降低固态电池对堆栈压力的需求。

图3 通过构筑新型界面降低堆栈压力

要点四：展望

基于当前研究现状，未来关于固态电池堆栈压力的研究可从以下几方面深入推进。在确定最佳堆栈压力时，要综合考量其对电池多方面性能的影响，构建高精度预测模型，针对不同材料体系和不同性能需求精准设置堆栈压力。在动态调控方面，对电池内部状态进行实时预测或监测，根据电池内部状态变化实时调节堆栈压力，最大限度的提升固态电池的性能与寿命。在电池模组和系统的应用上，通过创新结构设计，采用低成本施压方式并融合压力管理与电、热管理，形成电-热-力综合电池管理系统，以全面提升固态电池的综合性能，推动固态电池走向大规模实际应用。

Stack pressure-A critical strategy and challenge in performance optimization of solid state batteries

王亚楠副教授简介：2004年本科毕业于吉林大学汽车工程学院，2011年博士毕业于清华大学汽车工程系，同年加入山东大学工作。现为机械工程学院副教授，车辆工程系主任。长期从事高性能电池和电池系统的电-热-力多场耦合分析与协同管理的研究工作，以通讯作者身份在国内外期刊上发表高水平学术论文40余篇，授权专利15项。目前担任山东汽车工程学会理事，山东省工业和信息化厅聘任专家，山东省知识产权保护中心聘任专家，山东省道路交通安全协会智慧交通专业委员会主任，国家道路机动车辆生产企业准入审查专家等。