今日3篇Nature Energgy，全固态电池到底该怎么做？

纳米人

2020-03-10

作为当今能源领域的翘楚，锂电池可谓风光无限。但是，想要持续保住霸主之位，还必须下苦功夫，固态电池则是该领域不断向前的新法宝。

今日，Nature Energy连续刊发3篇锂电池有关论文，其中2篇是关于全固态电池。让我们来看看，全固态锂电池到底该怎么做？

1. Nature Energy分析：全固态锂电池的性能基准测试

提高电化学储能装置的能量密度、功率密度以及能量保持率是发展全固态电池的主要动力。然而，由于人们在对全固态电池的性能进行报道时缺乏独立的性能指标以及基准参考因而很难从已有文献中获得具有参考性的全固态锂电池的性能。在本文中，德国吉森大学的Felix H. Richter与Jurgen Janek将组成复杂的全固态锂金属电池简化并利用这个极简体系来对所有全固态电池得而性能进行了衡量。

本文要点

1) 为了得到一个具有参考性的基准体系，研究人员将全固态电池简化为只包含锂金属负极、β-Li₃PS₄固体电解质和Li（Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2）O₂（NCM622）正极活性材料的基准体系。在这个简化过程中研究人员避免了使用材料涂层或含碳添加剂以便这种极简固态电池能够作为具有最低性能的参考标准。

2)作者调研了大量参考文献后绘制了Ragone图和循环性能-放电比能量图来对不同电池体系以及不同循环方案的电池差异进行直接比较。比较的结果说明，一旦在全固态电池中使用的固态电解质层厚度过大就将使得整个全固态电池的相关性能（如能量密度和功率密度）变得飘忽不定而不再具有可参考性。研究人员还发现在高比能的固态体系中使用保护性涂层能够显著改善其电化学性能。

3)作者在文章中提出了电池性能的基本方程，利用这个方程计算出全固态锂电池发展需要实现的一些基本目标包括电池内阻小于40Ω cm²、隔膜厚度小于50微米、负极的原位生成、高于5mAh/cm²的正极面容量以及高于500Wh/kg的正极假想能量密度等。

Simon Landau et al, Benchmarking the performance of all-solid-state lithium batteries, Nature Energy, 2020

DOI: 10.1038/s41560-020-0565-1

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0565-1

2. Nature Energy:银-碳复合负极助力高比能长寿命全固态锂金属电池！

使用金属锂作负极的全固态锂金属电池无论在容量还是能量密度上都远远优于传统的锂离子电池。然而，锂负极不受控的枝晶生长以及低库伦效率严重制约了全固态锂金属电池的实用化发展。近日，韩国三星电子有限公司的Yong-Gun Lee与Dongmin Im以及日本三星研究院的Yuichi Aihara等使用硫化物固态电解质与不含过量Li的银-碳复合负极构建了一种高性能全固态锂金属电池。

本文要点

1）研究人员以Ag-C纳米复合电极取代金属锂作为电池负极，Ag在Li中的溶解减低了金属锂在集流体上发生沉积时的过电势，从而能够有效调节金属锂的沉积-剥离过程，从而赋予全电池以更长的电化学寿命。在之前的很多文献中碳常常作为保护层或三维集流体，但在这里C层起到的是隔膜的作用阻挡了金属锂与固态电解质的直接接触从而提高了固态电解质的稳定性并避免金属发生渗透。

2）该工作所使用的全电池体系以硫银锗矿型硫化物作为固态电解质，以比容量超过210mAh/g、面容量高于6.8mAh/cm²的高镍层状过渡金属氧化物（LiN_0.9Co_0.05Mn_0.05O_2, NCM955)作为正极材料然后利用等温静压技术来改善固态电解质与正负极之间的界面接触。其中，硫银锗矿型固态电解质薄膜不仅离子电导率很高而且还刚柔并济能够简化生产工艺并保持固态电解质与电极的紧密接触。为了避免正极材料在高压下的界面副反应，研究人员在NCM955正极表面包覆了一层厚度为5nm的Li₂O-ZrO₂涂层。

3）研究人员利用上述技术与材料开发出的双层叠片式软包电池的能量密度以堆叠式电池整体作为计算标准仍高达942Wh/kg，平均库伦效率高达99. 8%，且能够保持稳定循环超过1000周。

Yong-Gun Lee et al, High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020

DOI: 10.1038/s41560-020-0575-z

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0575-z

3. Nature Energy:部分有序锂离子电池正极材料的超高功率密度与能量密度

二次电池市场的火爆发展要求电极材料兼具低成本、高能量密度、高功率密度等多重性能。近日，美国劳伦斯伯克利国家实验室的Gerbrand Ceder教授发现在电极材料中将类尖晶石的阳离子序列与过量的锂相结合能够同时实现高能量密度与高功率密度。

本文要点

1)研究人员发现化学计量过量的阳离子以及由此产生的部分有序结构可以用来消除传统有序尖晶石材料中的不可逆相变并赋予其更高的实际容量。而大量过量的锂则能够与氟取代策略共同帮助实现更高的离子迁移能力。

2)研究人员利用上述策略成功地制备出了能量密度高达100Wh/kg且放电倍率高达20A/g的锂离子电池正极材料。而且更让人振奋的是，这种利用廉价的含锰原料制备的正极材料中还实现了优异的倍率性能与可逆阴离子氧化还原的共存。该工作表明在广阔的无序与有序空间内进行优异电极材料的设计十分富有前景。

Huiwen Ji et al, Ultrahigh power and energy density in partially ordered lithium-ion cathode materials, Nature Energy, 2020

DOI: 10.1038/s41560-020-0573-1

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0573-1