固態(tài)電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)有望從源頭上解決電池的安全問(wèn)題，并進(jìn)一步提高電池的能量密度。目前，多種固態(tài)電解質(zhì)材料體系被開(kāi)發(fā)報(bào)道，但是在眾多研究報(bào)道中固態(tài)電池性能的測(cè)試條件并不統(tǒng)一，難以客觀全面地評(píng)估固態(tài)鋰電池的性能和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此，建立固態(tài)電池充放電綜合性能描述符和評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)理解固態(tài)電池領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和促進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院賀艷兵教授團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)固態(tài)電池充放電綜合性能描述符——鋰離子輸運(yùn)通量（ΦLi+），定義為單位時(shí)間內(nèi)電池充放電反應(yīng)通過(guò)電極/電解質(zhì)界面單位面積的鋰離子擴(kuò)散物質(zhì)的量?；谧钚碌难芯窟M(jìn)展，該工作運(yùn)用此可量化因子評(píng)價(jià)了液態(tài)鋰電池、準(zhǔn)固態(tài)鋰電池以及固態(tài)鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀，并從三個(gè)方面重點(diǎn)分析討論了提高固態(tài)鋰電池中鋰離子輸運(yùn)通量的策略：在多孔正極中構(gòu)建“跨間隙”高通量離子輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中構(gòu)建“跨物相”高通量離子輸運(yùn)通道，在電解質(zhì)與電極之間建立“跨界面”高通量離子輸運(yùn)界面（圖1）。
圖1. 固態(tài)鋰電池高通量離子輸運(yùn)提升策略 鋰離子輸運(yùn)通量ΦLi+的計(jì)算公式如下所示，參數(shù)見(jiàn)表1。由公式可知，ΦLi+不但取決于充放電時(shí)間，且與實(shí)際面容量成正比。此外，ΦLi+作為一個(gè)可量化的因子將電池的極化、界面阻抗、界面副反應(yīng)等因素考慮在內(nèi)，能夠更客觀反映電池的實(shí)際性能。 該綜述論文考察了液態(tài)鋰離子電池、液態(tài)鋰金屬電池、準(zhǔn)固態(tài)鋰電池、固態(tài)鋰電池的ΦLi+，如圖2所示。結(jié)果表明，和液態(tài)鋰電池相比，絕大多數(shù)固態(tài)電池的面容量較低，且電池的充放電倍率較低，使得固態(tài)電池的ΦLi+明顯低于液態(tài)鋰電池。究其原因，用固態(tài)電解質(zhì)取代電解液會(huì)造成鋰離子在整個(gè)電池構(gòu)型中的離子輸運(yùn)效率和通量顯著降低。因此，實(shí)現(xiàn)高性能固態(tài)電池的核心在于實(shí)現(xiàn)固相體系高通量高穩(wěn)定鋰離子輸運(yùn)，尤其需要構(gòu)筑跨間隙、跨物相、跨界面的離子輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提升離子輸運(yùn)通量。 圖2. 液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和固態(tài)鋰電池的ΦLi+ 該綜述論文首次提出用離子輸運(yùn)通量ΦLi+作為固態(tài)電池的綜合充放電性能描述符，該描述符有利于清晰了解固態(tài)電池的發(fā)展現(xiàn)狀，推動(dòng)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。此外，該離子輸運(yùn)通量可量化的因子也可用于評(píng)價(jià)鈉、鉀、鋅和鎂等多種離子電池電化學(xué)儲(chǔ)能體系的實(shí)際性能。 論文信息 Determining the Role of Ion Transport Throughput in Solid-State Lithium Batteries Ke Yang, Liang Zhao, Xufei An, Likun Chen, Jiabin Ma, Jinshuo Mi, Prof. Yan-Bing He 文章的第一作者是清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士生楊科、趙亮和碩士生安旭飛。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202302586
