【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】固態(tài)鋰金屬電池因其高能量密度和優(yōu)異安全性，被視為下一代儲能技術(shù)的理想選擇。然而，固態(tài)組分內(nèi)部以及跨組分的緩慢電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，嚴(yán)重制約了其實(shí)際能量密度、倍率性能以及循環(huán)壽命。因此，揭示“結(jié)構(gòu)-電荷傳輸-性能“之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過結(jié)構(gòu)調(diào)控改善異質(zhì)固態(tài)體系的電荷傳輸動力學(xué)，成為推動固態(tài)電池走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。
 

　　近期，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心系統(tǒng)梳理了固態(tài)鋰電池中電極、電解質(zhì)和電池三個層級結(jié)構(gòu)調(diào)控的研究進(jìn)展，深入剖析了各層級結(jié)構(gòu)調(diào)控的關(guān)鍵影響因素及調(diào)控原理，并對各類結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略在提升離子傳輸方面的增益效果與局限性進(jìn)行了全面評估與對比。最后展望了未來實(shí)現(xiàn)快速電荷傳輸動力學(xué)的多層級結(jié)構(gòu)調(diào)控路徑，為發(fā)展下一代高性能無機(jī)固態(tài)鋰金屬電池提供了廣泛適用的設(shè)計原則。
 

圖1 實(shí)用化電池中通過多層級結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)快離子傳輸示意圖
 

　　對于復(fù)合正極，可通過成分工程精確調(diào)控活性材料、固體電解質(zhì)、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的比例，構(gòu)建連續(xù)且高效的離子/電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，在保障傳輸效率的同時，最大化活性物質(zhì)質(zhì)量；通過尺寸工程優(yōu)化活性材料和固體電解質(zhì)的顆粒尺寸及其比例，可以縮短電荷傳輸路徑；而梯度設(shè)計則能在厚電極中主動匹配鋰離子通量分布，協(xié)同提升活性材料的負(fù)載量與利用率。
 

　　在固體電解質(zhì)方面，結(jié)構(gòu)調(diào)控策略涵蓋無機(jī)固體電解質(zhì)和復(fù)合固體電解質(zhì)兩大體系。無機(jī)固體電解質(zhì)需從微觀摻雜、缺陷調(diào)控到宏觀致密化工藝的多尺度協(xié)同優(yōu)化，保證快速的鋰離子遷移。復(fù)合固體電解質(zhì)則通過有機(jī)-無機(jī)材料的優(yōu)勢互補(bǔ)，并結(jié)合從零維顆粒到三維骨架的填料結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)離子電導(dǎo)率的顯著躍升。
 

　　電池整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計同樣至關(guān)重要。電解質(zhì)層的減薄可大幅降低離子傳輸阻力，是實(shí)現(xiàn)電池高能量密度和高倍率的關(guān)鍵路徑；通過引入緩沖層、電解質(zhì)滲透以及多層電解質(zhì)設(shè)計能有效改善界面鋰離子傳輸；電極/電解質(zhì)的三維一體化集成，可大幅增加界面接觸面積、縮短離子遷移路徑，從而實(shí)現(xiàn)電荷傳輸與電化學(xué)反應(yīng)的高效協(xié)同。
 

　　展望未來，結(jié)構(gòu)調(diào)控將朝四大方向演進(jìn)：1.結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與多物理場建模，從單因素分析轉(zhuǎn)向多尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計；2.系統(tǒng)揭示電極結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)及傳輸特性與電池性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系，建立高負(fù)載電極的定量化設(shè)計準(zhǔn)則；3.創(chuàng)新實(shí)用化固體電解質(zhì)的研究范式，結(jié)合高通量計算解決超薄電解質(zhì)膜的材料體系開發(fā)、溶劑選擇、漿料流變學(xué)調(diào)控等問題；4.建立電極與固體電解質(zhì)界面兼容性的量化評價體系，實(shí)現(xiàn)從定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)變。
 

　　該綜述以“Multi-level structural modulation enables fast lithium-ion transport in inorganic solid-state batteries”為題，近日發(fā)表于行業(yè)頂尖雜志Chemical Society Reviews。由固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心崔光磊研究員、馬君研究員、韓鵬獻(xiàn)正高級工程師共同指導(dǎo)完成，博士研究生黃天鵬為論文第一作者。此項工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的支持。(文/圖 黃天鵬、馬君)