ACS Energy Letters: 提高基于金属硫化物电解质的全固态锂金属电池能量密度的思考- 大数跨境

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ACS Energy Letters: 提高基于金属硫化物电解质的全固态锂金属电池能量密度的思考

科学材料站

2020-10-27

导读：本文对当前开发电池级别高能量密度全固态锂金属电池的研究中遇到的问题和策略行了总结，并展望了其未来进一步的发展方向。

研究背景

当前对于锂离子电池的开发主要集中在提高能量密度和提升安全性能问题上面，全固态锂金属电池通过结合不可燃的固态电解质和高能量密度的锂金属负极，在理论上可以同时解决这两方面的问题。但当前报道的全固态电池的高能量密度（>400 Wh kg-1）都是基于电极材料级别，如果拓展到电池级别，计算得到的能量密度会显著地从降低至20 Wh kg-1以下。

主要的原因是在这些固态电池中使用了很厚的固态电解质层（>500 μm）、较低的正极活性物质负载量（<10 mg cm-2）以及较厚的锂金属负极（>200 μm）。制备超薄的固态电解质层（<30 μm）、高面容量正极（>5 mAh cm-2）和薄的锂金属负极（<50 μm）是开发电池级别高能量密度全固态锂金属电池的关键。

鉴于近期有大量的研究工作致力于分析和解决这一系列问题，亟待对这些代表性的工作作以总结，来启发更多的研究进一步推动全固态锂金属电池的发展。

文章简介

近日，国际期刊ACS Energy Letters在线刊登了美国东北大学的祝红丽团队关于电池级别高能量密度全固态锂金属电池的开发策略的总结，题目是“Processing Strategies to Improve Cell-Level Energy Density of Metal Sulfide Electrolyte Based All-Solid-State Li Metal Batteries and Beyond”，曹大显博士和赵于月博士为论文的共同第一作者。

在这篇综述中，硫化物电解质由于其超高的室温导离子性（>1 mS cm-1）可以有效实现室温全固态锂金属电池，作者因此主要基于硫化物电解质进行了讨论，并对其他典型的固态电解质例如氧化物电解质、聚合物电解质以及卤化物电解质分别进行了概括。首先在关于制备较薄的硫化物电解质层时，作者对基于粘结剂的湿法和干法制备分别进行了讨论，并且对模板法进行了介绍。

其次在高负载量正极层制备时，根据活性物质的特点，对高电压正极材料和高比容量正极材料分别进行了分析，对相对应材料遇到的问题和解决方案分别进行了概括。之后对制备薄层锂金属的方法进行了优缺点分析，并且基于硫化物与锂金属的不稳定性对二者之间界面稳定的方法进行了归纳。

考虑到全固态电池不同于液态电池的电池结构，作者对电池的结构设计进行了讨论。最后，对当前开发电池级别高能量密度全固态锂金属电池的研究中遇到的问题和策略行了总结，并展望了其未来进一步的发展方向。

核心内容表述部分

图一 A）已报道的全固态锂金属电池相对于活性物质的能量密度和电池级别的能量密度对比。B）已报道的全固态锂金属电池中正极层、电解质层以及锂金属负极的厚度对比。C）液态电池、D）常见的全固态锂金属电池和E）未来的高能量密度全固态锂金属电池的结构示意图。

图二该综述的框架图，通过对包括硫化物电解质、高电压正极、高比容量正极、锂金属、电池结构设计以及其他固态电解质等的设计，来实现全固态锂金属电池的电池级别高能量密度

图三超薄固态电解质层的制备，通过A）湿法浆料涂层、B）干法成膜以及C）模板法等方法。

图四高电压正极的优化，通过在A）电极材料和固态电解质的颗粒大小分布、B）导电助剂碳材料和C）粘结剂等方面调控，来实现高面容量。

图五高比容量正极的优化，通过A）提高电子和离子对活性物质的可及性、B）提高活性物质的导离子和导电子性以及C）缓冲体积膨胀等策略，来实现高面容量

图六锂金属负极与硫化物电解质的界面稳定性通过A）亚稳定层的形成和B）人造界面层的引入来提高，并通过C）多种途径来制备超薄的锂金属。

图七全固态锂金属电池A）电池单元和B）电池组的结构设计。

文献详情

Cao, D.; Zhao, Y.; Sun, X.; Natan, A.; Wang, Y.; Xiang, P.; Wang, W.; Zhu, H., Processing Strategies to Improve Cell-Level Energy Density of Metal Sulfide Electrolyte-Based All-Solid-State Li Metal Batteries and Beyond. ACS Energy Letters 2020, 3468-3489.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.0c01905

课题组链接：http://www.coe.neu.edu/research/hongli_group/