無機(jī)固體電解質(zhì)（SEs）離子電導(dǎo)率的顯著提高（室溫下超過10 mS cm-1的）為實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池（SSBs）的商業(yè)化開辟了機(jī)會(huì)。向不易燃SEs的轉(zhuǎn)變也允許SSBs 成功地利用鋰金屬負(fù)極，以實(shí)現(xiàn)高能量密度的鋰金屬電池。然而，固態(tài)鋰金屬電池（SSLMBs）的實(shí)際運(yùn)行仍然面臨循環(huán)穩(wěn)定性差和能量效率低的挑戰(zhàn)，這與界面穩(wěn)定性甚至鋰金屬的枝晶生長(zhǎng)有關(guān)。
韓國首爾大學(xué)Kisuk Kang等從五個(gè)主要角度概述了當(dāng)前對(duì)在SSLMBs中使用鋰金屬負(fù)極問題的潛在根源的理解：
i）化學(xué)/電化學(xué)界面穩(wěn)定性；
iii）界面處鋰原子/空位的本征擴(kuò)散率；
v）SEs不可忽略的電子導(dǎo)電性。隨后討論了克服這些挑戰(zhàn)的最新努力和戰(zhàn)略。最后，作者對(duì)未來實(shí)現(xiàn)高能SSLMBs商業(yè)化的研究方向提出了自己的觀點(diǎn)。
1、由于鋰金屬的高度反應(yīng)性，界面副反應(yīng)幾乎是不可避免的，導(dǎo)致界面上形成各種界面相。特別是混合導(dǎo)電界面相（MCI）的不斷生長(zhǎng)，嚴(yán)重增加了界面電阻，逐漸惡化了電化學(xué)性能。在這方面，應(yīng)考慮在金屬鋰和SEs之間引入穩(wěn)定的鈍化中間層，以減輕多余電阻膜的傳播形成，并穩(wěn)定SSLMBs中的電化學(xué)反應(yīng)。
2、固有的且不完美的固-固接觸會(huì)導(dǎo)致較大的界面電阻、局部電流密度的增加以及隨后不均勻的鋰溶解/沉積，從而導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)和短路故障。
3、鋰金屬中固有的低鋰離子自擴(kuò)散率導(dǎo)致鋰金屬與SEs之間的界面產(chǎn)生孔隙。為解決鋰離子擴(kuò)散率問題，建議引入鋰合金金屬，這部分是成功的。然而，由于鋰合金化反應(yīng)的體積變化通常很大，因此長(zhǎng)期穩(wěn)定性值得懷疑。
4、對(duì)于SEs中的缺陷，包括孔隙、晶界和固有裂紋在內(nèi)的缺陷為鋰枝晶的堆積和擴(kuò)展提供了空間，從而導(dǎo)致電池短路故障。為盡量減少SEs中的加工缺陷，采用了幾種制造方法，但成功率有限，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
5、最后，SEs的電子導(dǎo)電性最近被認(rèn)為是SEs內(nèi)部鋰成核的原因，導(dǎo)致電池過早短路。附加電子絕緣層被廣泛應(yīng)用于減少整個(gè)SEs的電子泄漏。然而，為有效控制SEs的電子導(dǎo)電性，需要更廣泛的方法，如SEs上的顆粒級(jí)精細(xì)涂層或與引入電子絕緣介質(zhì)相關(guān)的晶界工程。
圖1 固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬分解反應(yīng)的各種研究
作者建議未來的研究應(yīng)朝以下方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高能SSLMB的商業(yè)化水平：
1） 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的發(fā)現(xiàn)應(yīng)轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模的實(shí)現(xiàn)。例如，有必要優(yōu)化和修改電池中SEs的厚度，以滿足總包裝重量標(biāo)準(zhǔn)，并降低系統(tǒng)的實(shí)際面內(nèi)電阻。
2）需要更深入的表征工具，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)SEs附近鋰沉積/剝離過程中的界面反應(yīng)。直接實(shí)時(shí)觀察鋰在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部界面或晶界/顆粒邊界缺陷/裂紋附近如何成核和生長(zhǎng)，可以清楚地揭示隱藏的動(dòng)態(tài)鋰演化，這取決于各種運(yùn)行條件和電解質(zhì)類型。此外，原位原子級(jí)可視化將有助于揭示鋰金屬中固有的鋰擴(kuò)散行為、各種SEs上的界面性質(zhì)，這將進(jìn)一步有助于理解通過適當(dāng)?shù)亩ㄖ撇呗愿纳频匿嚱饘傩阅?。然而，由于鋰金屬和界面易受環(huán)境條件的影響，傳統(tǒng)的分析工具并不適用。低溫技術(shù)可以提供從納米級(jí)到原子級(jí)的鋰金屬電池中枝晶及其相間完整結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的可行途徑。
3）需要開發(fā)一種新型具有高離子導(dǎo)電性的SEs。它還需要具有柔韌的機(jī)械性能，能夠緩解鋰沉積/剝離期間界面形態(tài)的變化，并在不形成MCI的情況下保持與鋰金屬的穩(wěn)定界面。
圖2 循環(huán)前的界面接觸問題和一些可能的緩解策略
Challenges and Strategies towards Practically Feasible Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202104666
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