通訊單位：美國麻省理工學院（MIT）

DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00759-5

研究背景

改善鋰電池安全性的最有前途的方法之一是用固態電池（SSB）中的“固態”鋰導電電解質陶瓷代替傳統LIB中的“液體”離子導電電解質和聚合物隔膜。與氧化穩定性差且鋰離子轉移數低的聚合物電解質相比，許多陶瓷SSB電解質的陽離子轉移數接近於1，從而避免了在陰離子遷移上浪費寶貴的潛力（能量）。然而，氧化物面臨著三個主要缺點，這些缺點成了當前的商業化的巨大挑戰。首先，氧化物易碎，並且具有不利的機械效能（例如，高的楊氏模量，低的斷裂韌性），這可能會抑制介面的緊密接觸並需要其他技術解決方案（例如，緩衝層，電解質和新增劑的混合）。一旦減小厚度，機械方面挑戰可能會變得更加明顯。因此，應進一步注意介面處的化學-電-機械現象。其次，氧化物固體電解質與當前的陰極化學物質之間的相容性有限，這主要與組分之間的共燒結步驟中涉及的高溫過程有關。因此，降低加工溫度是確保良好化學相容性的必要先決條件。第三，氧化物通常比其他種類的電解質（硫化物和聚合物）具有更高的密度，這不利於總的重量能量密度，因此必須使用鋰金屬陽極和高壓陰極。

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本綜述批判性地討論了SSB加工的研究現狀以及最近的成本計算，並根據厚陶瓷和薄陶瓷的效能引數比較了SSB氧化物電解質材料和加工設定。對於未來的SSB設計而言，除了Arrhenius鋰傳輸的經典圖和電化學穩定性視窗之外，至關重要的是還需要掌握熱處理預算和氧化物固態電解質（即LiPON、鈉超離子導體、鈣鈦礦和石榴石）的相的穩定性。厚度接近鋰離子電池隔膜的SSB氧化物電解質膜可為低溫陶瓷製造和降低成本方面提供充足的機會。

圖文解析

▲圖1 | 基於Li金屬的SSB的成本和設計注意事項。

要點：

● 改善鋰電池安全性的最有前途的方法之一是用固態電池（SSB）中的“固態”鋰導電電解質陶瓷代替傳統LIB中的“液體”離子導電電解質和聚合物隔膜元件（圖a）。

● 固態陶瓷的製備過程：使用常規的陶瓷加工路線加工成厚度為300至1,000μm的陶瓷顆粒（圖1c），然後在相當高燒結溫度（約1000℃）下進行緻密化。

▲圖2 | 不同的複合陰極/電解質元件的SSB體系結構和實際處理溫度視窗。

▲圖3 | 各種氧化物固體電解質的性質。

要點：

● 研究最多的鋰離子導電陶瓷在室溫下具有10-7到10-3 S cm-1的電導率，這種鋰離子導電陶瓷是基於LiPON、NASICON、鈣鈦礦和石榴石型結構（圖a）。

● 將鋰離子導電陶瓷從大顆粒轉變為幾百奈米的薄膜需要大量的努力。平均而言，要了解其化學、沉積和特性，還需要十餘年的開發時間（圖b）。

▲圖4 | 用於不同工藝路線的氧化物固體電解質的離子電導率。

▲圖5 | 目前可用的不同鋰化策略概述。

要點：

● 在基於鋰的氧化物的情況下，鋰在沉積過程中很容易丟失（圖5a），通常會出現化學計量失調的薄膜。為了補償沉積過程中的鋰損失，通常採用共同沉積濺射膜（圖5c）的靶材和PLD膜超陶瓷化靶（圖5b）。

● 最近，引入了在沉積過程中使用內部鋰源的陶瓷工藝，並使用了Li3N和鋰石作為第二靶材，並進行了後退火處理（圖5d），以成功克服沉積過程中的鋰損失。

小結

由於未來的固體電解質生產以及與陰極的鍵合過程不一定需要高溫燒結，因此目前SSB成本預測中高達75％的生產成本可能會被高估。其次，基於LATP，LLTO或LLZO的電解質膜不一定需要進行經典的燒結或從合成粉末和緻密化開始，因為還可以開發溼化學擴充套件路線。第三，低溫陶瓷工藝將使包括LATP，LLTO和LLZO在內的新一代（無晶界的）非晶態固態Li+電解質陶瓷更加穩定，從而超越LiPON。這些材料更容易以薄膜或厚膜的形式獲得，並且無需高溫燒結，從而使其可以用作完全固體電解質或緩衝層，用以與純鋰一起進行高迴圈次數的操作。第四，將用於Li材料類的陶瓷加工從高溫燒結轉移到較低的加工條件和時間、採用其他策略來製造具有一定化學計量比精度的Li，可以確保SSB陶瓷的相穩定性和高效能。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41560-020-00759-5