实现全固态电池的承诺的途径

 
在电池方面，总有需要改进的地方：正在开发更便宜，更安全，寿命更长，能量密度更高且易于回收的电池。
在2020年3月出版的《自然纳米技术》上的一篇评论文章中，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师提供了一项研究路线图，其中包括四个挑战，以推动有前途的电池(全固态)需要解决的四个挑战电池—商业化。本文总结了团队在过去三年中为应对这些挑战所做的工作，这些成果已在各种期刊上发表的多篇同行评审文章中进行了报道。
与当今的可充电锂离子电池(其通常包含易燃的液体电解质)不同，具有固体电解质的电池除了提供包括更高能量密度在内的诸多优势外，还具有更高的安全性。
在《自然纳米技术》评论文章中，研究人员专注于无机固体电解质，例如陶瓷氧化物或硫化物玻璃。无机固体电解质是用于全固态电池的一类相对较新的固体电解质(与被更广泛研究的有机固体电解质相反)。
路线图：用于全固态电池的无机电解质
以下是研究人员在其评论文章中描述的路线图的概述：
1.创建稳定的固体电解质化学界面
2.用于操作诊断和表征的新工具
3.可扩展且具有成本效益的可制造性
4.专为可回收利用而设计的电池
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程学教授谢瑞明说：“至关重要的是，我们退后一步，考虑如何同时应对这些挑战，因为它们都是相互关联的。” “如果我们要兑现全固态电池的承诺，我们必须找到同时解决所有这些挑战的解决方案。”
作为加州大学圣地亚哥分校可持续能源与能源中心主任以及加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所所长，孟是加州大学所有固态电池研究与开发前沿领域的一批研究人员的重要成员。圣地亚哥。
创建稳定的固体电解质化学界面
自从早期发现固态电解质以来，它就走了很长一段路要走，那时发现的第一种电解质的电导率值对于实际应用而言太低了。当今先进的固态电解质显示出的电导率甚至超过了当今电池中使用的传统液态电解质(大于10 mS cm-1)的电导率。离子电导率是指锂离子在电解质中移动的速度。
不幸的是，所报道的大多数高导电性固体电解质在用于电池中使用的电极材料时通常电化学不稳定并且面临问题。
孟说：“在这一点上，我们应该将重点从追求更高的离子电导率上转移。相反，我们应该专注于固态电解质和电极之间的稳定性。”
如果离子电导率类似于汽车的行驶速度，则界面稳定性指的是高峰时段交通的难易程度。如果您在上班途中遇到交通拥堵，您的汽车可以走多快都没有关系。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员最近解决了这个界面稳定性瓶颈，展示了如何使用具有中等离子电导率但表现出稳定界面的固体电解质来稳定电极-电解质界面并改善电池性能。
用于操作诊断和表征的新工具
为什么电池会发生故障?为什么会发生短路?了解电池内部情况的过程需要表征到纳米级，最好是实时表征。对于全固态电池，这是巨大的挑战。
电池表征通常依赖于使用诸如X射线或电子或光学显微镜之类的探针。在商用锂离子电池中，所使用的液体电解质是透明的，从而可以观察各个电极处的各种现象。在某些情况下，也可以将这种液体洗掉，以提供更清洁的表面以进行更高分辨率的表征。
“观察今天的锂离子电池，我们的时间要容易得多。但是，在全固态电池中，所有东西都是固态的或埋在地下的。如果您对全固态电池尝试相同的技术，那就像尝试透视一块砖头一样。纳米工程博士” Darren HS Tan说。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的候选人。
此外，固态电池中使用的固体电解质和锂金属可能对电子束损坏敏感。这意味着，用于研究电池的标准电子显微镜技术会损坏感兴趣的材料，然后才能对其进行观察和表征。
加州大学圣地亚哥分校研究人员克服这些挑战的一种方法是使用低温方法使电池材料保持凉爽，以减轻其在电子显微镜探头下的分解。
用于克服表征固体电解质界面的障碍的另一种工具是X射线断层扫描。这类似于人类进行健康检查时所经历的。该方法在最近的一篇论文中得到了报道，该论文观察了埋在固体电解质中的锂枝晶，没有打开或破坏电池本身。
可扩展且具有成本效益的可制造性
如果电池研究不具有可扩展性，那么它们的突破通常意义不大。这包括全固态电池的进步。如果这类电池要在未来几年内进入市场，电池界就需要有效地大规模生产和处理其敏感组件材料的方法。
在过去的几十年中，研究人员在实验室中开发了各种固体电解质材料，这些材料具有理想的化学性质，非常适合电池使用。不幸的是，许多这些有前途的材料要么太昂贵，要么太难于大规模生产。例如，许多材料制成足够薄的材料以进行卷对卷制造时会变得非常脆，这就要求厚度小于30微米。
另外，还没有很好地建立大规模生产固体电解质的方法。例如，大多数合成方案都需要多个高能工艺，其中包括多个研磨，热退火和固溶处理步骤。
为了克服这些限制，圣地亚哥加州大学的研究人员正在合并多个专业领域。他们将传统材料科学中使用的陶瓷与有机化学中使用的聚合物相结合，以开发与可扩展的制造工艺兼容的灵活而稳定的固体电解质。为了解决材料合成的问题，该团队还报告了如何使用单步制造可规模化生产固体电解质材料，而无需额外的退火步骤。
专为可回收利用而设计的电池
废旧电池包含可重复使用的宝贵且数量有限的材料，例如锂和钴。
当它们的使用寿命结束时，这些电池需要放到某个地方，否则它们将随着时间的流逝而简单地作为废物堆积起来。
但是，当今的回收方法通常很昂贵，耗费能源和时间，并且包含有毒化学物质进行加工。而且，由于电解质，锂盐，隔板，添加剂和包装材料的低回收率，这些方法仅回收了电池材料的一小部分。在很大程度上，这是因为当今的电池从一开始就没有考虑到具有成本效益的可回收性。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员站在设计可重复使用性和可回收性到明天的全固态电池中的最前沿。
加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授郑晨说：“必须将成本有效的可重复使用性和可循环利用性纳入未来的进步，以开发全固态电池，以提供每公斤500瓦时或更高的高能量密度。” “至关重要的是，我们不要犯与锂离子电池相同的可回收性错误。”
电池的设计还应考虑其整个生命周期。这意味着设计的电池在跌落到其原始容量的60%到80%以下(通常标志着电池使用寿命结束)后仍可以继续使用。这可以通过探索二次电池的用途来实现，例如固定存储或应急电源，延长电池的使用寿命，直到它们最终到达回收中心。
带有有机电解质的全固态电池有望成为未来的电池技术，它将带来高能量密度，安全性，长寿命和可回收性。但是，要将这些可能性变为现实，将需要进行战略研究，考虑包括可回收性在内的其余挑战之间的相互关系。