【內容簡介】

固態電池（SSB）最近得到了復興，以提高能量密度和消除與易燃液體電解質的傳統鋰離子電池相關的安全問題。為了盡快實現大規模、低成本地生產SSBs，需改造傳統鋰離子電池成熟制造平臺，包括漿料澆鑄和輥對輥技術。然而，SSBs的制造依賴于特殊固體電解質的開發與設計，其中結合了無機和聚合物固體電解質優點的無機-聚合物復合電解質，特別適合SSBs的大規模生產。鑒于此，清華大學的南策文院士等人討論了為什么無機-聚合物復合材料 （IPC） 是適合大規模生產 SSB 的固體電解質。總結了IPC電解質發展的進展和挑戰，并討論了用于高性能器件的復合電解質的設計。最后，考慮了與 IPC 電解質集成到電池中的相關問題，包括 IPC 電極和電解質-電極界面的設計，以及可能的加工技術。

【內容詳情】

先進的鋰離子電池已被廣泛應用于電動汽車和電網規模的存儲系統，但仍無法滿足所需的能量、成本、安全性和壽命的要求。鋰電池行業需要具有更高能量密度和更長循環壽命的更安全、成本更低的電池。以當今最好的技術，鋰離子電池的比能量密度接近 300 Wh kg-1，但此類設備的安全風險很高。近年來，鋰離子電池災難性故障時有發生，造成了巨大損失，引起了公眾的關注。

最先進的鋰離子電池其能量密度已接近理論極限，并受到當今能量存儲和電力應用不斷增長的需求的挑戰。特別是，未來電動汽車的儲能市場需要在電池級別以更低的成本獲得 》500 Wh kg-1 的比能量。一些策略正在開發下一代高比能量電池，例如固態電池 （SSB）、Li-S 和 Li-O2/空氣電池。其中，SSB可以增加能量密度并消除與傳統鋰離子電池中易燃液體電解質相關的安全風險。此外，汽車和電池行業公司已經公布了其在SSBs領域的研發計劃。

為了實現 SSB 的大規模和低成本生產，需要修改已有的鋰電池制造產線平臺，包括漿料澆鑄和卷對卷技術（圖 1a）。然而，這種方法取決于與卷對卷加工兼容的固體電解質的開發。鋰離子電池的核心是無機（可承載鋰離子和電子導電添加劑的活性電極材料）和有機（聚合物粘合劑、多孔聚合物隔膜和液體電解質）材料（圖 1a，b）。用固體電解質代替易燃液體電解質使 SSB 電池具有無機和聚合物材料的多層、多相復合結構（圖 1c）。由于這種結構與傳統鋰離子電池的結構相似，可以使用類似的批量生產工藝制造 SSB。

圖 1. 鋰離子電池的生產工藝。

無機-聚合物復合電解質

固態電解質的發展技術，已經能夠解決 SSB與液態電解質相關的安全隱患，包括泄漏、著火，甚至過熱時爆炸。但用固體電解質代替易燃有機液體電解質并不簡單。SSB 的可擴展制造取決于固體電解質的選擇，這決定了可用于 SSB 制造的加工技術和兼容的電極材料。

目前，商用鋰離子電池的電芯是采用大規模、連續的卷對卷工藝鏈制造。步驟（圖 1a）包括混合電極漿料、將漿料涂覆到集流體、輥對輥壓延和干燥（通常在 ~ 80–160 ℃）、堆疊或纏繞電極箔中間夾有多孔聚合物隔膜，電池包裝并填充液體電解質。加工鏈中的所有生產步驟都是相互關聯的，并作為一個整體影響鋰離子電池的整體性能。電池包括多孔氧化物基陰極、多孔聚合物隔膜和多孔碳基陽極的層壓層，有機液體電解質浸入整個多孔結構中（圖 1b）。簡單來說，鋰離子電池是一種固液復合物，有機液體電解質滲透到電池中，促進活性陰極顆粒和碳陽極之間的快速離子傳輸。然而，電解質是鋰離子電池安全問題和性能衰減的內在原因。電解質還限制了高壓正極材料和鋰金屬負極的使用。提高鋰離子電池安全性的方法包括使用具有良好熱穩定性和強度的氧化物納米顆粒涂層聚合物隔膜，以及使用電池管理系統，特別是用于電動汽車。然而，液體電解質帶來的固有安全風險仍然存在。

對于未來的高能量密度和可充電鋰離子電池，當與高容量、高電壓正極材料結合時，鋰金屬被認為是最終的負極材料，因為它具有超高的理論比容量（3，860 mAh g?1，比目前使用的石墨陽極高十倍）和極低的標準電化學氧化還原電位（-3.040 V）。然而，鋰金屬在循環過程中經歷的巨大體積變化和鋰枝晶的形成阻礙了鋰金屬的應用，鋰枝晶很容易穿透多孔隔膜，導致短路而引起嚴重的安全問題。此外，液體電解質與金屬鋰之間的高反應性導致固體電解質界面層的反復形成和破裂，從而導致電解質和金屬鋰快速消耗，轉化為“死”鋰，導致庫侖效率和電池電量降低。因此，傳統的液體電解質不足以應用鋰金屬負極。相比之下，固體電解質為使用鋰金屬負極提供了一種有前景的策略，因為固體電解質可以與鋰金屬保持熱力學穩定并減緩鋰枝晶的生長。因此，用固體電解質代替液體電解質不僅可以解決安全問題，還可以使用鋰金屬陽極以及高電壓和高容量陰極，以實現高能量密度。

此外，從液態到固態的轉變也可能適用于下一代高能量密度蓄電池，例如 Li-S 電池（2，600 Wh kg-1）和 Li-O2/空氣電池（具有極高的能量密度，理論能量密度 》3，500 Wh kg?1）。除了源于使用易燃有機電解質和形成鋰枝晶的安全問題外，固態電解質還可以抑制基于液體電解質的 Li-S 電池所遭受的“多硫化物穿梭”效應。由于活性超氧化物物質的侵蝕以及鋰枝晶的形成，易燃有機電解質不可避免地降解，因此非水系 Li-O2 電池更不穩定。固態電解質可以減輕 O2 和 H2O 的交叉以及還原氧物質的親核攻擊。

SSB 電池由復合陰極、固體電解質和陽極的層壓層組成（圖 1c）。這種結構比帶有液體電解質的傳統電池更簡單，更容易封裝且具有更大的設計靈活性。此外，SSB原則上不需要冷卻系統。盡管如此，從液態到固態的轉變也帶來了挑戰。

為了降低成本并實現 SSB的大規模生產，其制造工藝可與傳統鋰離子電池的工藝類似于，如連續漿料澆鑄和卷對卷加工 IPC電極和固體電解質隔膜，層壓和堆疊。且這些連續制造過程需要低溫。通過低溫加工實現致密的多層、多相復合結構（圖 1c）的要求表明，軟而靈活的固體電解質適用于 SSB的大規模和連續生產。

固體電解質有四類：聚合物電解質；無機電解質，主要是氧化物基或硫化物基電解質；和復合電解質。接下來，總結了這些固體電解質的優缺點（表 1）。

表 1. 為固態電池的大規模生產量身定制幾種無機-聚合物復合材料。

聚合物電解質

由聚合物主體和鋰鹽的均勻混合物組成的聚合物電解質因其柔韌性、與電極的良好界面接觸、低成本和易于放大而引起了人們的關注。自 1973 年發現基于固體聚（環氧乙烷）（PEO）的電解質以來，已經測試了各種聚合物主體，包括聚碳酸酯（例如，聚（碳酸亞乙酯）、聚（碳酸亞丙酯）、聚（碳酸亞丙酯）聚（碳酸乙烯酯））、聚酯、聚腈（例如聚丙烯腈（PAN））、聚胺（例如聚乙烯亞胺）和聚（偏二氟乙烯）（PVDF）及其共聚物。PEO具有非常低的玻璃化轉變溫度（Tg，大約-64℃），與其他聚合物相比，它是一種良好的鋰離子絡合劑。類似于鋰離子與 PEO的氧配位，聚碳酸酯基和聚酯基聚合物電解質可以通過羰基和/或醚氧與鋰離子配位，并在一定程度上表現出相似的特性。PAN比PEO更剛性且具有更高的 Tg，含氮基團可以作為路易斯堿并與鋰離子配位和溶劑化。PVDF及其共聚物已廣泛用于凝膠電解質中，其吸收大量液體電解質，并作為傳統鋰離子電池電極中的粘合劑。作為聚合物主體，通常具有低 Tg 值的高度氟化 PVDF 聚合物也很受關注，因為它們的高介電常數會促進離子解離和分離。

在聚合物電解質中，PEO基電解質因其優異的鹽溶劑化能力和與電極的界面相容性仍然是研究最廣泛的，并且PEO基電解質被用于Bluecar電動汽車的鋰金屬聚合物電池中。然而，基于PEO的電解質的離子電導率（σ）在室溫（RT）下在10-7-10-5 S cm-1范圍內，低于SSB的要求。另一個挑戰是聚合物電解質在高壓下的不穩定性（基于 PEO 的電解質的電化學穩定性窗口《3.8 V（相對于 Li/Li+）），這限制了它們在高壓正極材料中的使用。提高聚合物電解質離子電導率的方法包括通過添加增塑劑（鋰鹽有時也具有顯著的增塑作用）或殘留溶劑的存在來增加電解質中自由體積的量，或通過增加鋰鹽的量在聚合物基質中。然而，盡管添加此類低分子量添加劑會增加離子電導率，但也會損害其他性能，例如機械強度和電化學穩定性。此外，由于其低彈性模量，簡單的聚合物-鋰鹽混合物不能完全阻止鋰枝晶的突出，已經開發了交聯聚合物或嵌段共聚物以提高剪切模量。

柔性聚合物電解質可以確保電極和電解質之間的低界面電阻，并兼容大規模制造工藝。聚合物電解質具有復雜的相圖，離子與聚合物的絡合取決于陽離子和陰離子的類型，以及聚合物內的官能團。聚合物電解質的結構動力學關系和電化學行為取決于聚合物結構、聚合物類型和分子量、鋰鹽和用于加工的溶劑。然而，這些關系和行為仍然缺乏深入的了解。

硫化物無機電解質

硫化物基無機電解質因其超高離子電導率、低加工溫度和低剛性而備受關注。幾種基于硫化物的無機電解質，例如銀汞礦家族，在室溫下表現出極高的離子電導率，約為 10-3-10-2 S cm-1，甚至超過了傳統鋰離子電池中液體電解質-隔膜的離子電導率。硫化物的主要缺點是它們有限的熱力學穩定性、對H2O和O2的敏感性，因此它們很容易與空氣中的水分反應生成 H2S 氣體，從而破壞電解質。大多數硫化物在低電位下被鋰金屬還原并在中間電位下氧化，由于離子的相互界面擴散或反應，可能在陰極氧化物顆粒和硫化物之間的界面處形成空間電荷層。因此，需要保護界面或合金陽極來穩定硫化物電解質-電極界面。在考慮大規模生產SSB時，硫化物具有延展性，只需將其壓在一起而無需高溫共燒結，即可促進層壓電解質和復合電極層的制造。因此，外部加壓對于形成均勻的固-固界面和保持電極-電解質界面的緊密接觸至關重要。例如，在電池循環期間施加外部壓力的情況下，證明了具有良好性能的硫化物基 SSB 電池。然而，硫化物基電解質對壓力的要求可能會限制它們的應用。

氧化物基無機電解質

幾種基于氧化物的電解質，例如鈣鈦礦型 Li3xLa2/3?xTiO3 （LLTO）、NASICON 型 Li1+xAlxTi2?x（PO4）3 （LATP）、Li1+xAlxGe2?x（PO4）3 （LAGP）尤其是石榴石型 Li7La3Zr2O12 （LLZO） 因其高離子電導率、寬電化學穩定性窗口和優異的熱力學性能（如高強度和彈性模量）而受到廣泛關注。然而，通常需要 》1，000 ℃的高燒結溫度才能在室溫下獲得具有 10-4–10-3 S cm-1 的高離子電導率的致密陶瓷。陶瓷電解質的剛性使其難以在循環過程中緩沖電極材料的體積變化，導致氧化物電解質與電極之間失去緊密接觸。此外，高加工溫度及其固有的脆性使得難以制造基于氧化物陶瓷電解質的塊狀SSB。氧化物陶瓷電解質可能適用于通過薄膜沉積制造的微電池，如基于鋰磷氧氮化物 （LiPON） 的薄膜鋰離子電池，或通過類似于用于大規模制造多層陶瓷電容器。然而，開發用于制造多層陶瓷電池的類似技術將具有挑戰性。

IPC 電解質

聚合物和無機固體電解質的比較（表1）表明，兩者都不能滿足高離子電導率和轉移數（t+）、對電極的高穩定性、與成熟制造工藝的兼容性和成本效益的所有要求。或者，通過結合聚合物和無機固體電解質的互補優勢，IPC電解質（表 1）已成為滿足所有這些要求的更好選擇，并且一直致力于開發它們。IPC電解質繼承了聚合物組件的靈活性和放大加工性，因此可以與用于傳統鋰離子電池的大規模和卷對卷制造工藝兼容。此外，IPC電解質可能實現增強的離子電導率和穩定性，這是由于無機組分和聚合物與無機相之間的協同相互作用。

1、IPC電解質的設計

除了易于大規模生產外，適用于高能量密度SSB的IPC電解質還應具有高鋰離子電導率（例如，σ 》 10-4 S cm-1）和遷移數（例如，t+ ≈ 1），滿足各種穩定性要求。為了開發用于制造高能量密度和安全SSB的IPC電解質，需要選擇聚合物和無機組分的最佳組合，并在了解IPC電解質的基本性質的基礎上設計IPC電解質的微觀結構。接下來，作者回顧了對IPC電解質離子傳輸和穩定性的最新理解，以及IPC可用的加工路線。

SSB電池中的固體電解質（圖 1c）夾在陽極和陰極層之間，既用作電解質又用作隔膜，并且還添加到復合電極中以形成鋰離子傳輸的網絡通路。因此，在常規鋰離子電池中，希望固體電解質中的鋰離子傳輸類似于多孔隔膜內的液體電解質（在室溫下σ 》 10-3 S cm-1）。

具有低 Tg的聚合物電解質（例如基于 PEO、聚酯和 PVDF 及其共聚物的電解質）通常包含結晶相和非晶相，并且兩相中鋰離子的傳輸機制不同。盡管通過在結晶相中跳躍的鋰離子傳輸在聚合物電解質的離子傳輸機制中起作用，但非晶相更有利于離子傳輸。一方面，聚合物電解質中的離子傳輸（基于PEO電解質），依賴于鋰鹽的解離和所得鋰離子的傳輸，通過聚合物鏈在高于 Tg 的無定形區域中進行分段運動。另一方面，許多聚合物主體在很大程度上是無定形的（例如，聚碳酸酯包括聚（碳酸亞乙酯）、聚（碳酸亞丙酯）和聚（碳酸乙烯酯））并且具有比PEO更高的Tg。根據聚合物電解質中鋰離子傳輸的普遍接受模型，涉及耦合到聚合物鏈的分段運動，較低的Tg有利于離子電導率。在局部自由體積的存在下，鋰離子可以借助聚合物鏈中特定的極性官能團（如羰基、腈、醚、硫化物和氮化物）運輸或跳躍到相鄰的配位點。將無機填料與聚合物電解質結合（圖 2a）是降低Tg和抑制低Tg聚合物結晶的有效方法。

在過去的二十年里，關于惰性填料對聚合物電解質離子電導率的影響已經有很多研究。惰性填料本身不傳導鋰離子，主要包括氧化物（如 Al2O3、SiO2、TiO2和 ZrO2）、金屬有機骨架和粘土礦物（如蒙脫石、埃洛石和坡縷石）。惰性填料對離子電導率的增加主要歸因于兩種機制（圖 2a）。首先，填料物理抑制低Tg聚合物（如 PEO）的結晶，填料表面和聚合物鏈之間的路易斯酸堿型相互作用也在動力學上抑制聚合物鏈的結晶并增強鏈段運動，增加離子遷移率 （μ）。其次，填料和鋰鹽之間的路易斯酸堿相互作用導致鹽解離增強，從而增加了移動鋰離子的濃度（n）。由于 σ = qnμ（其中 q 是鋰離子電荷），μ、n 的增加可以大大提高電導率。因此，填料和聚合物基體之間的路易斯酸堿相互作用具有重要作用，并且由于路易斯酸堿相互作用而在填料和聚合物之間形成的界面層建立了快速的離子傳輸途徑。使用具有高比表面積的填料，例如納米顆粒和納米多孔材料（例如，介孔二氧化硅、多孔 Al2O3和金屬有機骨架、納米線或層狀材料對路易斯酸堿相互作用有效，并產生更多的界面層，從而更大程度地提高離子電導率。例如，將Al2O3和TiO2納米顆粒引入PEO-LiClO4電解質中，離子電導率大大提高了兩個數量級以上。

與惰性填料相比，無機電解質填料，如LLZO和硫化物，由于它們還具有高離子電導率，因此在提高離子電導率方面更有效。即使是微米級的 LLZO 顆粒也可以大大增加離子電導率（圖 2b）。使用LLZO顆粒時，重要的是確保其表面新鮮，因為LiOH和Li2CO3在暴露于空氣中的水分時很容易形成。在由無機電解質填料和聚合物電解質組成的IPC電解質中，無機顆粒充當惰性填料，并在聚合物和填料之間的界面層內通過路易斯酸堿相互作用形成離子傳輸路徑。此外，無機電解質填料本身可以促進快速離子傳輸。許多實驗和模擬致力于揭示IPC電解質中的離子傳輸行為，但鋰離子傳導機制尚未完全了解，因為對內部界面層和多種組分之間的復雜相互作用知之甚少，包括無機填料、聚合物、鋰鹽和加工用溶劑。實際上，可以在包含更多剛性鏈聚合物（例如，具有高Tg的聚合物）的IPC中設想與上述討論不同的傳輸機制。

圖 2. 無機-聚合物復合電解質中的離子傳輸。

2、IPC的機械穩定性

機械穩定性是大規模生產的首要參數（圖 3a）。IPC電解質應表現出適用于可擴展電池制造的機械性能，緩沖充放電循環期間的體積變化并抑制鋰枝晶生長。理論上，剪切模量 》6 GPa 的固體致密電解質膜（即沒有孔隙和晶界）可以阻止鋰枝晶的生長。柔性聚合物電解質表現出低剪切模量（通常《0.1 GPa），因此難以阻擋鋰枝晶。相比之下，無機電解質的剪切模量可高達數十GPa（對于 LLZO33，約為 60 GPa）。制造IPC電解質的最初目的是提高聚合物電解質的機械穩定性。通常，與聚合物基體相比，添加無機填料會增加拉伸強度，但會降低斷裂伸長率，這可以從應變-應力曲線（圖 3a）推斷出來。選擇具有高粘彈性、自愈性和良好成膜性的聚合物可以使IPC電解質具有高機械穩定性。IPC電解液的機械性能還取決于無機填料的含量。陶瓷聚合物電解質表現出優異的柔韌性；然而，由于電解質中含有大量陶瓷填料，陶瓷聚合物電解質的柔韌性（圖 3a）和粘附性能較差。附著力差會影響電極和電解質之間的緊密接觸，導致循環時界面電阻增加。因此，IPC電解質的合理設計需要在獲得適當的模量和對正極材料和鋰金屬負極的良好表面粘附之間進行折衷。

一種建議是層壓IPC設計，具有薄的、柔軟的聚合物電解質粘合層和薄的剛性IPC電解質層。在該設計中，柔軟且具有粘性的聚合物層與正極層接觸良好，剛性IPC電解質層具有高機械強度并抑制鋰枝晶。當然，提高IPC電解液的剪切模量并不能完全解決鋰枝晶問題。即使對于具有高剪切模量的LLZO等剛性陶瓷電解質，在一定的電流密度下，枝晶仍然可以沿著陶瓷的晶界生長。因此，正如最近提出的化學機械設計規則所強調的那樣，高模量不是減輕枝晶生長的先決條件。例如，盡管剪切模量低，但納米級LiF均勻嵌入IPC電解質中已經證明其枝晶抑制特性。

3、熱穩定性

IPC電解質的熱穩定性對電池安全至關重要。大多數聚合物電解質顯示出比液體電解質更高的熱穩定性，但添加鋰鹽會降低其分解溫度。聚合物相的分解通常發生在 》300 ℃，而大多數無機電解質在更高的溫度下是穩定的（圖 3b）。因此，將無機填料添加到聚合物電解質中可以提高熱穩定性，因為填料充當主鏈并在升高的溫度下穩定IPC電解質的完整性。即使聚合物組分降解，電極仍被無機骨架隔開。在某些情況下，添加低分子量聚合物或低聚物以增加離子電導率和對電極的潤濕性，以及形成薄膜IPC電解質。雖然這些低分子量添加劑比液體電池中常見的易燃有機溶劑具有更高的熱穩定性，但必須控制它們的濃度，并應在大型SSB中評估其安全性，尤其是在誤用的情況下。

圖 3. 無機-聚合物復合電解質的穩定性。

4、化學穩定性

IPC電解質的化學穩定性決定了它們的儲存和制造條件，并決定了兼容電極材料的選擇。對環境空氣和水分敏感的材料，例如 LLZO 和硫化物（圖 3c），將導致高制造成本和安全問題。聚合物電解質通常在空氣中表現出良好的化學穩定性，但需要在干燥的氣氛中處理以防止H2O吸附。對于SSB，IPC電解質應與電極兼容，且在整個儲存和使用壽命期間，電解液與電極之間不會發生災難性和不可逆的化學副反應。即使界面不能設計為熱力學穩定，它也應該設計為動力學穩定。大多數IPC電解質具有與聚合物基質相似的化學穩定性。在某些情況下，無機填料可能會在填料表面捕獲痕量的H2O或溶劑，從而防止H2O或溶劑與鋰負極發生反應。值得注意的是，在IPC電解質中，聚合物組分可以作為緩沖層，以防止無機電解質（如含鈦氧化物、LATP 和 LLTO）與鋰金屬負極的直接接觸和劇烈反應。即使對于包含由聚合物包裹的硫化物顆粒的硫化物基IPC電解質，硫化物顆粒與鋰負極之間的界面反應也受到抑制。上述層壓IPC設計還可以通過防止組分之間的直接接觸來減輕無機組分對鋰金屬的化學不穩定性。

5、電化學穩定性

IPC電解質的電化學穩定性（由電化學穩定性窗口（圖 3d）表示）決定了它們與高壓正極和鋰金屬負極的兼容性，這對于實現高能量密度SSB很重要。通過評估電解質-電極界面的熱力學，已經進行了理論計算來研究無機電解質材料的固有電化學窗口。

最常見的基于PEO的聚合物電解質在電壓 》3.8 V時緩慢氧化，限制了它們在高能量密度電池中的應用。此外，PEO和鋰鹽具有吸濕性，如果在制備過程中被水分污染，基于PEO的聚合物電解質會變得更加不穩定。無機電解質具有較寬的電化學穩定性窗口，其上限超出了液體和聚合物電解質的上限。因此，與聚合物電解質相比，無機填料的引入導致IPC電解質的電化學穩定性窗口更寬圖 3d）。然而，仍需要進行研究來澄清這種擴大效應的起源，從而可以合理設計聚合物基體、鋰鹽和無機填料以進一步拓寬電化學穩定性窗口。除了IPC電解質的合理設計外，電解質-電極界面還可以設計為擴展實際的電化學穩定性窗口。

6、復合電解質的整合

當IPC電解質替代電池中的多孔隔膜和液體電解質時，需要調整IPC電極和電極-電解質界面以滿足SSB的要求。還需要考慮與大規模生產相關的問題，例如復合固體電極的設計、電極-電解質界面的穩定性和電池制造。另一個考慮因素是陰極和電解質層之間形成的固-固界面，以及陰極內部粒子之間的眾多界面，可能會導致IPC陰極內部和界面處的離子和電子傳輸障礙。如果在循環過程中發生體積變化，這些界面接觸可能會變差。當使用鋰金屬作為負極時，鋰枝晶的生長也會對鋰負極和電解質之間的界面構成威脅。

7、復合電極

SSB的復合正極或非鋰負極可以使用漿料混合、流延和壓制來制造（圖 1a）。由于SSB中沒有液體電解質，添加到IPC電極中的IPC電解質必須形成鋰離子傳輸網絡，圍繞電極內的大量活性材料顆粒。同時，IPC電解質還應有助于無需高溫處理的固體IPC電極的致密化，并適應循環過程中活性材料的較大體積變化，以防止IPC電極開裂并保持界面處的良好接觸。因此，理想情況下，IPC電極應具有相當高的活性材料負載量，且無活性成分最少，鋰離子和電子傳輸的有效網絡，以及電極內部和電極-電解質界面處的緊密固體-固體接觸。

圖 4. 無機聚合物復合正極和負極。

8、電解質-電極界面

除了IPC電極內的許多內部界面外，IPC電解質隔膜和電極之間的界面對于SSB的性能和功能也至關重要（圖 5）。由于無機相的含量高，具有高負載活性氧化物材料的IPC陰極是剛性的。在循環過程中，即使是剛性固-固界面上的小應變也可能導致化學或機械故障。這些故障包括電極和IPC電解質隔膜之間的裂紋形成或分層，這會增加界面阻抗，降低電化學性能，甚至導致電池故障（圖 5a）。柔軟的IPC電解質隔膜有利于在循環過程中保持與IPC正極良好的彈性固-固界面接觸和穩定性，并有利于降低界面電阻。

圖 5. 電極和無機聚合物復合電解質層之間的界面。

9、電池制造

許多研究表明，基于IPC電解質的單SSB電池具有良好的性能，表明IPC電解質可用于制造實用的SSB電池。類似于用于制造傳統鋰離子電池的大規模連續卷對卷工藝（圖 1a），SSB電池的制造可以設計為包括連續漿料混合、流延和卷對卷工藝。IPC電極和電解質隔膜，IPC電極和電解質隔膜的層壓，以及堆疊（圖 6）。

圖 6. 為大規模生產固態電池定制無機-聚合物復合材料的制備工藝流程。

【前景與展望】

固體電解質，特別是SSB的研究由于其高能量密度、長壽命和高安全性而繼續快速發展。在所有固體電解質技術中，IPC電解質展示了SSB的最佳整體性能和放大能力。IPC解質將軟聚合物與穩定的無機材料結合，可實現高離子電導率、良好的電極潤濕性以降低界面電阻和高穩定性以確保安全。本文總結了對IPC電解質的最新理解，并討論了對其設計的要求，強調了通過優化IPC電極和界面將IPC電解質集成到SSB中的關鍵挑戰。

要實現和加速SSB技術的應用，主要存在兩個問題：首先，在復合水平上，IPC電解質（以及IPC電極）的離子傳輸性能和各種穩定性需要改進。這種改進需要設計和選擇無機和聚合物材料（尤其是聚合物電解質）的最佳組合。此外，還存在許多問題，例如，對SSB電池多相IPC系統的鋰離子傳輸機制、動力學和宏觀特性的基本理解。解決這些問題需要將制造和表征與不同長度尺度和時間尺度的模擬相結合。需要利用先進的表征技術來觀察和分析IPC中的掩埋界面、多種組分之間的協同相互作用以及IPC電解質隔膜和電極之間的界面。

從電池層面來說，IPC電極和IPC電解質隔膜的制造，以及電解質、電極間界面的合理設計的層壓制造，對于實現高性能電池至關重要。研究IPC電極層（具有大量活性材料和快速離子電子共傳輸網絡）和SSB電池的IPC電解質隔膜層的制造、加工和處理，以及層厚度的調整（例如，薄電解質隔膜和薄鋰金屬負極）是制造技術的快速更新和升級所必需的。這種層壓多相IPC的自動化電池制造和質量控制將決定SSB的未來。最后，盡管IPC可以顯著改善電池的安全問題，但大型SSB模塊和電池組的安全性仍需在投放市場之前進行全面測試。