研究背景

鋰離子電池（LIB）自1991年商用以來，已經成為推動消費電子、電動汽車（EV）和可再生能源存儲系統（ESS）的核心技術。然而，隨著全球對高能量密度、長續航和環保型儲能技術的需求不斷增長，LIB逐漸暴露出其安全性和性能極限方面的問題。

首先，傳統LIB依賴于有機液態電解液，雖然它提供了良好的鋰離子導電性，但卻存在易燃、熱穩定性差和漏液等安全隱患。在高壓、高溫條件下，電解液的分解可能引發熱失控，造成電池起火甚至爆炸，這在電動汽車的大規模推廣中成為一大挑戰。此外，LIB中使用的某些關鍵材料，如鈷（Co），不僅價格昂貴且供應不穩定，還涉及環境和社會問題。因此，研究者正在積極尋找替代技術來克服這些瓶頸。

在此背景下，全固態電池（ASSB）作為一種下一代電池技術受到廣泛關注。與傳統LIB不同，ASSB使用固態電解質（SSE）替代液態電解液。這一設計不僅消除了液體電解質的易燃性，還提高了電池的體積能量密度和循環壽命。此外，ASSB的設計有望支持更高壓工作的電極材料，如鋰金屬負極，從而進一步提升電池性能。

然而，實現ASSB的商業化仍面臨諸多挑戰，包括固態電解質的離子導電性不足、界面穩定性差以及大規模制造成本高等問題。針對這些挑戰，研究者們正在探索多種新型固態電解質材料（如氧化物、硫化物、聚合物）的合成技術，并尋求優化制備工藝，以推動ASSB的大規模應用。

成果簡介

本文系統回顧了全固態電池（ASSB）的最新研究成果與技術進展，并深入探討了推動其商業化的關鍵因素和解決方案。與傳統鋰離子電池（LIB）相比，ASSB在設計和材料應用上具有顯著優勢。首先，它采用了固態電解質（SSE）替代液態電解質，顯著提高了電池的安全性，避免了熱失控和電解液泄漏等問題。此外，ASSB還支持更高的電化學窗口和更高電壓下工作，這使其在提升體積能量密度方面表現出色。

在材料方面，研究者探索了多種新型固態電解質材料，包括氧化物、硫化物、鹵化物和聚合物基電解質。例如，氧化物型電解質（如Li?La?Zr?O??，LLZO）表現出優異的化學穩定性和離子導電性；硫化物基電解質（如Li?PS?Cl，LPSCl）則因其良好的機械性能而成為熱門候選材料。這些材料的研究為全固態電池的開發奠定了堅實的基礎，但也面臨生產成本高和界面不穩定等挑戰。

為了解決這些問題，文章詳細介紹了不同的制備工藝和優化策略，包括機械球磨法、溶液合成法和濕法工藝的應用。研究者們發現，濕法工藝能夠更好地控制顆粒尺寸和材料的形貌，同時提升批量生產的效率。在某些實驗中，如使用1,2-二甲氧基乙烷（DME）作為溶劑進行濕法合成，可以提高Li?P?S??電解質的離子導電性，并實現材料的大規模生產。這些優化工藝有助于降低電解質的制造成本，推動全固態電池的產業化進程。

此外，本文還展示了ASSB在多種新型電池體系中的潛力，包括鋰硫電池、鈉離子電池和鎂離子電池。這些電池系統在能量密度、環境友好性以及資源可持續性方面具有巨大優勢，有望成為未來電動汽車和儲能系統的重要技術支撐。

總的來說，本文為推動全固態電池的研究與應用提供了全面的解決方案和方向。研究成果不僅證明了ASSB在安全性和性能上的優勢，也為其在未來商業化過程中面臨的挑戰提出了具體應對措施，如優化電解質界面穩定性、降低成本及提升量產能力。通過這些努力，ASSB有望成為下一代電池系統的核心技術，為應對全球能源和環保挑戰提供新的解決方案。

研究亮點

1. 新型固態電解質材料的開發與應用

- 氧化物型電解質（如LLZO）表現出高化學穩定性和良好的機械性能，但面臨界面阻抗較高的挑戰。

- 硫化物基電解質（如Li?PS?Cl）不僅具有優異的離子導電性，還具有良好的柔性和適應性，有望在未來高性能電池中得到廣泛應用。

- 鹵化物電解質（如Li?YCl?、Li?YBr?）展現出卓越的離子傳導性，但其化學活性帶來了一定的穩定性問題。

2. 高效的電解質合成方法與成本控制

- 濕法合成方法不僅能優化顆粒尺寸，還能夠提升批量生產能力，降低制造成本。

- 機械球磨法因其高能量輸出，能夠在短時間內制備出高純度的SSE材料，但其高成本和能耗仍是一個挑戰。

3. 多種新型電池系統的探索與應用

- 鋰硫電池（Li-S）：憑借更高的理論能量密度和較低的成本，鋰硫電池有望成為電動汽車的下一個主流電池系統。固態電解質能夠抑制多硫化物的穿梭效應，提升循環性能。

- 鈉離子電池（Na-ion）：由于鈉資源豐富、價格低廉，鈉離子電池被認為是未來大規模儲能系統的理想選擇。

- 鎂離子電池則展現了在高安全性和循環壽命方面的優勢，但其商業化仍面臨較大技術挑戰。

4. 安全性和能量密度的提升

- 通過固態電解質替代傳統液態電解液，ASSB消除了熱失控和漏液的風險，大大提高了電池的安全性。

- 此外，ASSB支持高電壓工作，提高了體積能量密度，使其特別適用于對能量密度和安全性要求極高的應用場景，如電動汽車和航空航天系統。

5. 商業化的潛力與展望

- 本文不僅展示了當前技術的優勢，還提出了未來的研究方向和挑戰，如提升界面穩定性、降低制造成本以及規模化生產的實現。

- 研究者還提出了一些環境友好的解決方案，如綠色溶劑的使用和材料回收技術的開發，以確保ASSB在提升性能的同時減少環境影響。

圖文導讀

圖1：示意圖展示了(a) 傳統鋰離子電池（LIB）與液態電解液的結構，以及(b) 全固態電池（ASSB）的結構，和(c)采用液態電解液的電池與(d) 采用固態電解質（SSE）的電池。

圖2：固態電解質（SE）合成方法及結果的示意圖示例：(a) 在170°C干燥2小時后，初始成分和LPSI（x = 0）在不同時間制備的XRD圖譜。(b) 由親核試劑LiSC?H?促進的Li?PS?固態電解質的形成過程。(c) 通過球磨和溶液工程合成技術合成的Li?PS?X（X = Cl, Br）。(d) LPSCl固態電解質的液相合成過程，(e) 各種LPSCl固態電解質的奈奎斯特圖，(f) 不同LPSCl固態電解質的離子導電性。(g) 在1.0 V施加電壓下，THF-SE的直流極化曲線。

圖3：固態電解質（SE）成本降低方法及結果的示意圖示例：(a) Li?S合成方法及與原材料相關費用的最小化。(b) 考慮采用傳統固態電解質和提議的硫化物固態電解質生產ASSB的最終電池單元價格的比較，以及使用液態電解液的傳統鋰離子電池（LIB）價格。(c) 當固態電解質價格處于最高和最低水平時，傳統ASSB與提議的ASSB組件價格比例。(d) 制備Li?PS?Cl固態電解質的過程。(e) Li?ZrCl?及最先進氯化物固態電解質的原材料成本。

圖4：與固態電解質（SE）相關的可持續性研究示例的示意圖：(a) 使用不同溶劑體系（即傳統THF、綠色替代溶劑（CPME和2-MeTHF）以及可持續惰性溶劑（G1–G4））的LPSCl固態電解質的液相合成過程。(b) 用于SSLBs的LFP-PEO復合正極的水基制造工藝，配有LLZO隔膜。(c) 回收途徑。(d) 基于直接回收原則提出的工業ASSB回收程序。

圖5：薄膜沉積方法示例的示意圖：(a) 由95wt% Li?P?S??和5 wt% SEBS制成的復合電解質薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。該薄膜經過了100個循環的鋰鍍覆和剝離，每個循環20小時。(b) 2D LPSCl固態電解質及不同傾斜角度的還原氧化石墨烯（rGO）模板和2D LPSCl固態電解質的SEM圖像。(c) 通過浸漬電紡多孔聚酰亞胺（PI）納米線與可溶液加工的Li?PS?[Cl,Br]合成用于ASLB的硫化物固態電解質膜。(d) 固體復合電解質膜的制備。(e) 組裝SE顆粒或SE膜的ASSB電池的循環性能及用尼龍網膜制備SE膜的過程。(f) 超薄固態電解質膜的制備。

圖6：化學氣相沉積（CVD）過程示例的示意圖：(a) 能源存儲應用中的關鍵技術。(b) 在973 K和40% O?氣氛下沉積在硅（Si）上的LLZO薄膜的次級電子顯微鏡（SEM）圖像。(c) 鋰金屬表面形成LiI保護層的過程，以及SEM、電化學分析、橫截面SEM、XRD和XPS的結果。(d) F-NBR-g-VEC電解質和NBR-g-VEC膜的綜合表征。

圖7：原子層沉積（ALD）技術示例的示意圖：(a) 自然功能化的基底表面或經過處理以實現功能化的表面，其中前驅體A以脈沖方式與表面反應；多余的前驅體和副產物用惰性載氣沖洗；前驅體B以脈沖方式與表面反應；多余的前驅體和副產物用惰性載氣沖洗，此循環重復進行，直到達到所需的材料厚度。(b) 準備修改了ZnO的LATP（鋰鋁鈦磷酸鹽）并將ZnO沉積到LATP上的過程。(c)LSO（鋰硫氧化物）薄膜的生長與ALD循環次數的關系；不同沉積溫度下的LSO每循環生長量；在225°C（LSO225）、250°C（LSO250）、275°C（LSO275）和300°C（LSO300）下經過500個ALD循環后，硅上LSO薄膜的橫截面SEM圖像。比例尺為100nm。(d) ALD鎂磷氧氮（MgPON）固態電解質中一個循環的反應步驟，包括TDMAP、N?等離子體、N? + O?等離子體、Mg(EtCp)?和H?O前驅體。中心插圖展示了在MgPON固態電解質薄膜頂部進行的一個ALD循環沉積的提議化學結構。

總結與展望

本文對全固態電池（ASSB）的研究進展進行了全面總結，強調了其在提高安全性、能量密度和穩定性方面的巨大潛力。通過采用固態電解質（SSE）替代傳統的液態電解液，ASSB顯著降低了熱失控和泄漏風險，從而提升了電池的安全性。這一創新設計使ASSB在電動汽車（EV）和儲能系統等應用領域中具備了更強的競爭力。

在材料方面，研究者們積極探索各種類型的SSE，如氧化物、硫化物和聚合物，這些材料在離子導電性、化學穩定性和機械強度等性能上各有優劣。通過引入新型合成工藝，如濕法合成和機械球磨法，研究者們能夠有效提高電解質的性能并降低生產成本。這些技術創新為ASSB的大規模商業化提供了強有力的支持。