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固態(tài)電池發(fā)展面臨的問題及解決策略
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-11-19

離子運(yùn)輸機(jī)制、鋰枝晶生長機(jī)制、固-固界面問題是固態(tài)電池面臨的三大問題：盡管固態(tài)電池能量密度與安全性占優(yōu)，然而固態(tài)電池內(nèi)部固-固界面能壘高導(dǎo)致鋰離子傳輸速率低、鋰枝晶生長、界面反應(yīng)、以及鋰金屬和固體電解質(zhì)(SE)之間的物理接觸等仍然存在問題，導(dǎo)致成品固態(tài)電池充放電速度差，循環(huán)壽命低于傳統(tǒng)液態(tài)電池，加之當(dāng)前固態(tài)電池制造工藝不成熟等挑戰(zhàn)可能會限制固態(tài)電池整體性能，阻礙全固態(tài)電池的廣泛實(shí)際應(yīng)用。

1、離子運(yùn)輸機(jī)制：制約充放電速度的關(guān)鍵

高離子電導(dǎo)率是提高全固態(tài)電池充放電速度的關(guān)鍵：固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和固態(tài)電池多尺度界面性質(zhì)共同決定固態(tài)電池的電化學(xué)性能，相比之下，離子在固態(tài)電池界面的遷移相對緩慢，這也是提高電化學(xué)性能的關(guān)鍵所在。當(dāng)前固態(tài)電池面臨的主要應(yīng)用瓶頸包括較慢的充放電速度和較快的容量衰減，這與固態(tài)電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。與液態(tài)電解質(zhì)不同，固態(tài)電解質(zhì)中離子間相互作用力強(qiáng)，離子遷移能壘高（是液體的 10 倍以上），其導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低。因此明確高離子電導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)條件是發(fā)展高性能固態(tài)電解質(zhì)、提高全固態(tài)電池充放電速度的關(guān)鍵。

離子輸運(yùn)性能取決于在表界面的輸運(yùn)速度：固態(tài)電解質(zhì)中的離子輸運(yùn)性能由離子在相、表界面中的輸運(yùn)過程共同決定，在多晶固態(tài)電解質(zhì)中，表界面離子輸運(yùn)（晶界和跨晶界離子輸運(yùn)）被認(rèn)為是離子輸運(yùn)過程中的限速步驟。但目前對表界面的結(jié)構(gòu)組分以及輸運(yùn)機(jī)理的研究尚不充分，需要業(yè)界繼續(xù)發(fā)展更為先進(jìn)的表征技術(shù)和計算方法以深入研究晶格動力學(xué)和表界面的離子傳輸機(jī)理。

目前主要通過摻雜、開發(fā)納米尺度結(jié)構(gòu)以及界面工程等手段來改善離子電導(dǎo)率：目前主要通過摻雜、開發(fā)納米尺度結(jié)構(gòu)以及界面工程等手段來改善離子電導(dǎo)率，近年來也有研究發(fā)現(xiàn)體相中電導(dǎo)率的優(yōu)化可以通過調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，比如晶格體積、輸運(yùn)瓶頸尺寸、晶格畸變、缺陷等。總體來說，目前業(yè)界對于離子運(yùn)輸機(jī)制的理解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不同固態(tài)電解質(zhì)體系的離子輸運(yùn)機(jī)制也存在較大的差異，仍需要對離子輸運(yùn)過程進(jìn)行詳盡且全面的研究，從而揭示可在各類固態(tài)電解質(zhì)體系中使用的離子輸運(yùn)機(jī)制。

2、鋰枝晶生長機(jī)制：固態(tài)電池安全性挑戰(zhàn)

鋰枝晶在電池內(nèi)部生長易引發(fā)安全風(fēng)險：固態(tài)電解質(zhì)雖然具有高機(jī)械強(qiáng)度，但仍然難以完全抑制鋰枝晶的生長和實(shí)現(xiàn)鋰金屬的均勻沉積。鋰金屬可能在負(fù)極表面形成枝晶，甚至在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部成核，導(dǎo)致電池短路，從而引發(fā)安全風(fēng)險。

根據(jù)著名的 Monroe 和 Newman 模型，在基于聚合物電解質(zhì)的鋰金屬電池體系中，當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)的剪切模量高于鋰金屬剪切模量的兩倍時，可以抑制鋰枝晶的生長。基于此理論，高剪切模量的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)被認(rèn)為能有效解決鋰金屬負(fù)極的枝晶問題。然而，對于剪切模量較高的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，其在有限的電流密度下循環(huán)時卻也容易形成鋰枝。

添加劑及結(jié)構(gòu)設(shè)計可抑制鋰枝晶的生長：對于聚合物固態(tài)電解質(zhì)而言，其柔軟的特性很難阻止枝晶的形成，但是也可以通過提高離子導(dǎo)電性、添加無機(jī)填料、添加額外的聚合物等方式來改善鋰枝晶的形成；而對應(yīng)無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)而言，可以通過改變微觀結(jié)構(gòu)缺陷、提高相對密度、降低電子導(dǎo)電率、管理電流密度等方式來抑制鋰枝晶的形成。

3、固-固界面問題：固態(tài)電池性能及安全性關(guān)鍵挑戰(zhàn)

固-固界面問題直接影響固態(tài)電池的循環(huán)壽命等性能：固態(tài)電池固固界面接觸大部分情況下，接觸方式為點(diǎn)接觸，接觸面積小。部分電池體系下，界面初始可能是面接觸，但是隨著電池的循環(huán)，電極材料不可以避免地發(fā)生體積膨脹，使得原本良好的接觸惡化，從而增加界面阻抗，電池性能持續(xù)惡化。同時持續(xù)應(yīng)力累積也可能導(dǎo)致正極和固態(tài)電解質(zhì)層中產(chǎn)生微米級裂紋，正極與電解質(zhì)之間的接觸惡化，加劇電池性能衰減。

固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰在外加電位下會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬之間的接觸界面通常比較脆弱，接觸電阻可能比較大，如果界面不穩(wěn)定，可能會引發(fā)劇烈的界面反應(yīng)，導(dǎo)致界面性能迅速退化。而在液態(tài)電解質(zhì)系統(tǒng)中，鋰金屬表面會形成動態(tài) SEI，SEI 層能夠在一定程度上緩解電解質(zhì)與鋰金屬之間的副反應(yīng)，同時保持鋰離子的導(dǎo)通性。

此外，液態(tài)電解質(zhì)具有良好的接觸性和潤濕性，可以在一定程度上自我修復(fù)或重新形成 SEI 層，從而適應(yīng)鋰金屬沉積過程中表面形態(tài)的變化，并使鋰枝晶的形成和生長更容易控制，因?yàn)樵谝簯B(tài)電解質(zhì)的作用下，鋰可以更均勻地沉積。

固態(tài)比液態(tài)更容易由于界面問題出現(xiàn)熱失控：固態(tài)電解質(zhì)一旦形成裂縫或與鋰金屬接觸不良，就不像液態(tài)電解質(zhì)那樣能形成 SEI 膜并具有自愈性，更容易導(dǎo)致鋰離子傳輸通道斷裂，形成鋰枝晶，枝晶持續(xù)生長可能穿透電解質(zhì)，造成電池短路大量產(chǎn)熱、溫度升高。而高溫可能會引起正極發(fā)生分解，高比容三元正極材料在熱分解時可能產(chǎn)生氧氣，與鋰金屬負(fù)極反應(yīng)，引發(fā)放熱反應(yīng)，導(dǎo)致電池溫度進(jìn)一步升高和熱失控。

界面工程與改性能有效解決固固界面問題：針對固態(tài)電池存在的固固界面問題，目前主流通過界面工程與改性來改善，通過材料與工藝兩個維度實(shí)現(xiàn)改善。1）材料維度:選擇體積變化更小的 Li 金屬負(fù)極和包覆復(fù)合正極。2)工藝維度:宏觀界面問題，通過增大制備過程中的壓力，以消除孔隙、增強(qiáng)界面接觸。

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