Nature Materials报道：知否知否！无机固态电解质基础研究的前沿汇总

众所周知，随着温室效应加剧，冰川融化、海平面上升加快，人们对于脱碳材料的研究也是越发加快！因此电池技术被作为实现电器化和间歇生成的太阳能和风能储存的关键技术之一。然而，尽管电化学储能技术在电动势、电网储能等领域不断扩大应用，但是目前电池的性能、安全性、能量密度和成本方面仍未达到要求。

如今关于电池的研究工作主要集中在以下两个方面：（1）对成熟的锂离子电池技术（高级Li⁺）的优化；（2）对锂电池的其核心部件（后Li⁺）的大幅度修饰。其中，第二种方法主要是集中精力转换到不同的无机阳离子，利用金属负极和使用固体电解质制备出固态电池。并且第二种策略不是相互排斥的，而是可以结合在一起，从而使固态电池的特性符合应用要求。因此，非常有必要对无机固态电解质的基础知识进行总结。

近日，法国皮卡第儒勒-凡尔纳大学的Christian Masquelier、Theodosios Famprikis和法国巴斯大学的M. Saiful Islam和Kai Guo（共同通讯作者）联合总结报道了近些年来对无机固态电解质基础知识的认识进展。其中，无机固态电解质是固态电池概念的核心，对它的深入认识，有助于解决了多尺度离子传输、电化学和机械性能以及电流处理路线等领域的关键问题。对于实际固态器件而言，与电解质相关的主要挑战包括利用金属负极、稳定界面和保持物理接触。但是解决这些问题的关键在于对固态电解质材料的基本性质有更多的了解。该研究成果以“Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries”为题目发表在著名期刊Nature Materials上。

无机固态电解质的优势与不足：

（1）高的安全性和延长的使用寿命。因为Li⁺电池通常不使用易燃液体电解质。此外，固体固有的较慢反应性有助于提高固态电池的使用寿命。然而，在固态电池中也存在由于正极材料的气体逸出导致的安全和老化问题。同时由于电池的固体性质，其他老化机制可能也会严重加剧。

（2）可在低温、高温（-50℃到200℃或更高）下运行和更高的功率。而传统的液体电解质通常会冻结、沸腾或分解。此外，由于阴离子骨架的固定性，固体材料中不存在体极化，可能有更高的功率。然而，电流密度对于具有实际能量密度的电池仍然具有挑战性。同时，固态电解质与电极的界面处不受极化影响，因此需仔细了解极化的影响。

（3）显著提高能量密度和高的稳定性。这些高性能的电极包括锂、钠和镁等金属负极，它们可以在电池中产生最高的容量和工作电压。同时，高压正极转移一个离子可以传递更多的能量，但是也会导致普通液体电解质的氧化。然而，金属负极和带有固体电解质的高压正极在在大规模系统中的适用性仍有待证明。

无机固态电解质面临的挑战：

（1）仍需大量研究以充分理解通过固态电解质不均匀沉积Li的基本机理，尽管固态电解质不会因生成Li枝晶而失效。众所周知，金属负极在液体电池中使用是非常有问题的，因为Li（或Na）作为细丝状结构是不均匀沉积的，其通过隔板生长到正极会引起短路。

（2）界面的稳定性。因为固态电解质和电极材料之间的界面组成和结构通常与主体材料的偏差很大。同时，离子电阻或电子传导分解形成的产物抑制了固态器件的性能。

（3）保持物理接触。因为固态系统的显着缺点是离子扩散依赖于固体颗粒的接触。这些点接触对电极材料中电化学循环产生的应力特别敏感，可能导致裂缝的形成和传播以及界面的分层。因此，在固态电池设计中，需要制定有效的策略减轻物理接触。

作者除了对无机固态电解质的优势和不足、目前存在的挑战进行总结外，还回顾总结了目前无机固态电解质在多尺度离子传输、电化学稳定性和机械稳定性能领域的最新进展以及电流处理路线的依赖性。

图一、双极堆叠固态电池的示意图 

 图二、多尺度离子传输和主要相关技术

图三、阳离子迁移机制和相关的能量分布

（a）箭头表示三种典型的迁移机制：空位、直接间质和相关（间隙），涉及单个或多个位点（分别为蓝色和红色）；圆圈表示模型晶格的稳定（绿色）和亚稳（橙色）位置的阳离子；虚线表示阴离子框架施加的阳离子跳跃的过渡态；（b-c）通过直接空位或间隙跳跃（b）和相关跳跃（c）与阳离子迁移相关的能量分布图以及其相关的跳跃能量E_m、跳跃距离α₀和跳跃频率ν₀示出。

图四、与负极和正极接触的固态电解质上的化学势的演变

 图五、固态电池中固态电解质/电极界面的反应可能性和功能方案

（a-b）伴生的（1）氧化还原、（2）化学反应和（3）电化学反应的示意图和人工保护策略。

图六、固态电池的机械降解

图七、固态电池固态电解质处理的可用方法的简化流程图

本文重点介绍了与固态电池应用相关的无机固态电解质基本理解的最新进展。也概述了无机固态电解质在多尺度离子传输、电化学和机械稳定性以及它们对可用加工方法的依赖性方面的解决方案。目前，通过实验和理论建模之间的协同，对于无机固态电解质有了更深入的理解。除了上述问题外，未来的研究应包括以下领域：（1）开发更适合固态电池的新型电极材料和保护涂层；（2）需要更好地理解晶界和电解质/电极界面反应和动力学，同时需要设计新的实验方法来监测固态电池界面反应和压力演变；（3）需要探索以进一步优化新的和常规的电解质材料，同时需开发高度可扩展的合成路线和定制机械性能以使固态器件稳定运行。

Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries (Nature Materials 2019, DOI:10.1038/s41563-019-0431-3)

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0431-3.