北理工研究團隊聚焦固態電解質鋰金屬電池的實用化瓶頸發表綜述文章


近日,北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在材料類頂級國際期刊《Advanced Energy Materials》(《先進能源材料》,影響因子25.245)發表了題為《Toward the Scale-Up of Solid-State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab-Level Cells and Practical Large-Format Batteries》的綜述文章,聚焦固態電解質鋰金屬電池的實用化瓶頸。本文的通訊作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦教授,第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉科學研究院博士研究生徐磊。

固態電解質由於具備高穩定性、低可燃性、無泄漏和爆炸危險等優點,是取代傳統可燃電解質實現高安全性鋰電池的不二之選。同時,具有寬電化學窗口和高機械強度的固態電解質能夠充分發揮鋰金屬負極和高壓正極的優勢,實現高安全性高能量密度鋰金屬電池的構建。然而,目前實驗室級別的研究結果難以完全支撐固態電池應用化的需求,相較於可實用體系電池仍存在一定的差距。

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圖1. 固態電解質與固態電池的發展歷程

文章簡要回顧了固態電解質的發展歷程(如圖1所示),總結了近年來固態電解質及其在鋰金屬電池中的應用,強調了固態電解質鋰金屬電池實現高能量密度、高安全性的巨大潛力。文章指出目前實驗室級別的研究通常在較為温和的條件下進行評測,一些先進的指導性策略難以在實用化系統電池中發揮效用。相較於實用化軟包電池,實驗室模型體系級別的電池在結構、材料製備、電池裝配和評測過程中存在很大的體系差異。因此,對固態電池放大過程中科學問題的深入理解,以及將實驗室級別的策略與大規模生產技術的結合,是實現固態電解質鋰金屬電池實用化的關鍵。

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圖2. 固態電解質鋰金屬電池從模型體系放大過程中面臨主要挑戰

文章從固態電解質、正極、負極和電池構型四個方面出發,詳細論述了其放大過程中存在的挑戰和未來的機遇,歸納了電池放大過程中存在的共性問題和主要差異(圖2)。重點討論了工業化生產條件下,固態鋰金屬電池各組分在結構、製備和組裝過程中的具體要求。着重強調了其中極具潛力的發展方向,如干電極製備方法、正極支撐的電池裝配法和基於疊片技術的雙電極技術方案等。論文還指出軟包電池製備工藝與固態電解質兼容性好,可能有利於發揮固態電池高能量密度的優勢。該綜述有望為今後固態電解質的研究和電池製造技術的開發提供參考。


附作者簡介:

黃佳琦,北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,博士生導師,九三學社社員。主要開展高比能電池能源化學研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊發表研究工作100餘篇,h因子為77,其中50餘篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協青年人才託舉計劃,獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎,中國顆粒學會青年顆粒學獎,2018-2020年科睿唯安高被引科學家等。

論文詳情:Lei Xu, Yang Lu, Chen‐Zi Zhao, Hong Yuan, Gao‐Long Zhu, Li‐Peng Hou, Qiang Zhang, Jia‐Qi Huang*. Toward the Scale‐Up of Solid‐State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab‐Level Cells and Practical Large‐Format Batteries, Advanced Energy Materials, 2020, 2002360.

論文鏈接://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202002360



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