全固態(tài)電池被認(rèn)為是電動(dòng)汽車、移動(dòng)電子產(chǎn)品和固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域極具前景的解決方案，部分原因是其無(wú)需易燃的液態(tài)電解質(zhì)，因此本質(zhì)上比傳統(tǒng)鋰離子電池更安全。然而，目前仍有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題阻礙著全固態(tài)電池的市場(chǎng)化：一方面，陽(yáng)極鋰枝晶的形成仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。這些細(xì)小的針狀金屬結(jié)構(gòu)會(huì)穿透電極間導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì)，并向陰極蔓延，最終導(dǎo)致內(nèi)部短路。另一方面，鋰金屬陽(yáng)極與固態(tài)電解質(zhì)界面處的電化學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)損害電池的長(zhǎng)期性能和可靠性。
圖片來(lái)源：瑞士保羅謝勒研究所（PSI）/Mahir Dzambegovic
據(jù)外媒報(bào)道，瑞士保羅謝勒研究所（Paul Scherrer Institute，簡(jiǎn)稱PSI）的研究人員在鋰金屬全固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用方面取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新的生產(chǎn)工藝，結(jié)合兩種方法，這兩種方法既能提高電解質(zhì)的致密度，又能穩(wěn)定鋰的界面。這種新一代電池比傳統(tǒng)鋰離子電池?fù)碛懈邇?chǔ)能能力、更安全的運(yùn)行方式和更快的充電速度。該研究的成果發(fā)表在期刊《先進(jìn)科學(xué)（Advanced Science）》上。
瑞士保羅謝勒研究所研究的核心是硫銀礦型 Li?PS?Cl (LPSCl)，這是一種由鋰、磷和硫組成的硫化物基固體電解質(zhì)。這種礦物具有很高的鋰離子電導(dǎo)率，能夠?qū)崿F(xiàn)電池內(nèi)部的快速離子傳輸，這是實(shí)現(xiàn)高性能和高效充電過(guò)程的關(guān)鍵前提。這使得硫銀礦基電解質(zhì)成為固態(tài)電池的理想候選材料。然而，迄今為止，由于難以將材料致密度提高到足以防止形成空隙（鋰枝晶可能穿透這些空隙）的程度，其應(yīng)用一直受到阻礙。
為提高固體電解質(zhì)的致密度，研究團(tuán)隊(duì)主要采用兩種方法：一是在室溫下施加極高的壓力壓縮材料；二是采用壓力與超過(guò)400攝氏度高溫相結(jié)合的工藝。后一種方法，即經(jīng)典燒結(jié)法，通過(guò)施加熱量和壓力使顆粒熔合形成更致密的結(jié)構(gòu)。然而，這兩種方法都可能導(dǎo)致一些不良的副作用：室溫壓縮不足以達(dá)到理想效果，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)多孔和晶粒過(guò)度生長(zhǎng)；而高溫處理則存在破壞固體電解質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，瑞士保羅謝勒研究所的研究人員必須探索一種新的方法來(lái)獲得堅(jiān)固的電解質(zhì)和穩(wěn)定的界面。
為將硫銀礦致密度提高到均質(zhì)電解質(zhì)的水平，El Kazzi及其團(tuán)隊(duì)確實(shí)考慮溫度因素，但研究人員采用更為謹(jǐn)慎的方法。研究人員沒(méi)有采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，而選擇一種更為溫和的方法：在適中的壓力和約80攝氏度的溫度下對(duì)礦物進(jìn)行壓縮。這種溫和的燒結(jié)方法取得成功。適中的溫度和壓力確保顆粒能夠按照預(yù)期排列，同時(shí)又不改變材料的化學(xué)穩(wěn)定性。礦物顆粒之間形成緊密結(jié)合，孔隙區(qū)域變得更加致密，微小空腔也隨之閉合。最終形成致密、緊密的微觀結(jié)構(gòu)，有效阻止鋰枝晶的穿透。這種固態(tài)電解質(zhì)本身就非常適合鋰離子的快速傳輸。
然而，僅靠溫和的燒結(jié)工藝還不夠。為確保即使在高電流密度下（例如快速充放電過(guò)程中遇到的情況）也能可靠運(yùn)行，全固態(tài)電池需要進(jìn)一步改進(jìn)。為此，研究人員在真空條件下蒸鍍一層厚度僅為65納米的氟化鋰（LiF）涂層，并將其均勻涂覆在鋰表面，作為陽(yáng)極和固態(tài)電解質(zhì)界面處的超薄鈍化層。該中間層具有雙重功能：一方面，它可以防止固態(tài)電解質(zhì)與鋰接觸時(shí)發(fā)生電化學(xué)分解，從而抑制“死鋰”（即不活躍的鋰）的形成。另一方面，它起到物理屏障的作用，防止鋰枝晶滲入固體電解質(zhì)中。
在紐扣電池的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該電池在嚴(yán)苛條件下展現(xiàn)出卓越的性能。
該研究的第一作者、博士生Jinsong Zhang表示，其在高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性令人矚目。經(jīng)過(guò)1500次充放電循環(huán)后，電池仍保持約75%的初始容量。這意味著四分之三的鋰離子仍在從正極遷移到負(fù)極。這些數(shù)值是迄今為止報(bào)道的最佳數(shù)值之一。因此，Jinsong Zhang認(rèn)為，全固態(tài)電池很有可能在能量密度和耐久性方面很快超越采用液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰離子電池。
El Kazzi及其團(tuán)隊(duì)首次證明，固態(tài)電解質(zhì)溫和燒結(jié)與鋰負(fù)極上的薄鈍化層相結(jié)合，能夠有效抑制枝晶形成和界面不穩(wěn)定性，這是全固態(tài)電池領(lǐng)域兩大長(zhǎng)期存在的難題。
這一組合方案標(biāo)志著全固態(tài)電池研究取得重大進(jìn)展，尤其因?yàn)樗哂猩鷳B(tài)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。由于工藝溫度低，因此可以節(jié)省能源，從而降低成本。El Kazzi表示：“我們的方法是工業(yè)化生產(chǎn)基于硫銀礦的全固態(tài)電池的實(shí)用解決方案。只需再做一些調(diào)整，我們就可以開(kāi)始生產(chǎn)了?！?/p>
