1：無負極全固態電池，最新Nature Energy！
美國加州大學聖地亞哥分校Ying Shirley Meng孟穎團隊在 Nature Energy 上發表了題為「 Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery 」的論文，這項研究提出了一種解決方案，透過使用電化學穩定的固體電解質和施加堆疊壓力，實作致密金屬鈉的沈積，克服了兩大挑戰。此外，發現鋁集流體與固體電解質可以實作緊密的固-固接觸，在高面容量和電流密度下實作高度可逆的鈉電鍍和剝離。這種設計以前在使用傳統鋁箔時無法實作。本研究展示了一種無鈉陽極全固態電池，經過數百次迴圈，表現出穩定的迴圈效能。
圖1、無陽極原理圖和能量密度計算。
a，碳陽極、合金陽極和無陽極配置的電池原理圖。b，各種鈉陽極材料的理論能量密度比較。c，實作無陽極全固態電池的四個要求示意圖。© 2024
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2：北理工黃佳琦課題組Adv. Mater. ：高安全固態金屬鋰電池
北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦教授課題組在高安全固態金屬鋰電池設計方面取得重要研究進展，相關成果以「TIntrinsically Safe Lithium Metal Batteries Enabled by Thermo-electrochemical Compatible In-situ Polymerized Solid-state Electrolytes」為題發表在材料類頂級國際期刊【Advanced Materials】（【先進材料】，影響因子27.4）。本文的通訊作者為北京理工大學黃佳琦教授、袁洪副教授，第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院博士研究生楊世傑。
由於固態電解質具有固有的高熱穩定性、不流動性和正/負極相容性，因此電解質的固態化成為解決電池的安全性問題的終極方案。自支撐固態電解質具有較差的電極/電解質界面接觸，不利於電池長期穩定迴圈，而原位聚合電解質因較好的界面接觸和較低的界面電阻而受到越來越多的關註。然而，傳統的聚烯烴基聚合物電解質通常需要添加額外的液態電解質，這不可避免地會影響電池的安全性。
原位聚合1,3-二氧戊環（PDOL）是一種透過DOL開環聚合獲得的聚醚基電解質，其不僅擁有較高的鋰離子電導率(>1 mS cm−1)，且與金屬鋰負極具有出色的相容性而廣受贊譽。盡管PDOL電解質不需要添加液態潤濕劑，但DOL單體的殘留和低聚物的存在會降低電池的安全性。一旦電池溫度超過110 ℃，PDOL電解質就會發生熱分解，生成氣態易燃小分子產物（如DOL、甲醛等），影響電池安全效能。事實上，金屬鋰電池的熱安全性主要與電解質的熱穩定性及其在高溫下與金屬鋰負極的相容性有關。因此，同時實作PDOL的高熱穩定性與高電化學穩定性仍然是安全性金屬鋰電池的巨大挑戰。
設計的功能性TGIC交聯劑可以與DOL的共聚，同時提高了聚合電解質的熱效能和電化學效能，有效地提高了聚合電解質的熱穩定性，TPDOL電解質的熱分解被明顯抑制，與PDOL電解質相比，其熱穩定溫度從86.5℃提高到307℃(圖1)。
3：Nat Commun：長壽命蠕變型全固態鋰電池正極
考慮到固態電池獨特的結構特性，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心索鎏敏研究員課題組與來自西安交通大學航天航空學院許榮教授合作，提出可以利用鋰化應力驅動可蠕變活性材料隨迴圈的持續蠕變，形成動態演化的保形界面，改善顆粒間接觸同時耗散應力，提高結構完整性。作者使用可蠕變 Se 合金電極材料和離子/電子一體化傳輸的Mo6Se8剛性框架構建了蠕變型全固態硒化物正極，並利用原位SEM和數值分析，深入研究了鋰化-應力-蠕變協同演化過程及其對電化學效能的影響。
作者觀察到剛性Mo6Se8框架可有效約束Se的鋰化應變，產生鋰化應力梯度，誘導Se蠕變擴散到孔隙空間，同時伴隨著內應力釋放和反復迴圈後累積形成的共形界面，有效最佳化顆粒接觸，最終形成長迴圈下的穩定結構。蠕變型Se-60Mo6Se8（Se-60MSe）正極的體積能量密度高達 2460Wh/L，在 0.5C倍率下可穩定迴圈 3000周。這種基於固態電極結構特性，從材料本征應力-應變機制出發，將界面接觸從傳統的被迫接觸脫鋰轉變為隨迴圈的主動跟隨性共形演化，可有效提高電極結構穩定性，為未來全固態電池的創新設計提供更多啟示。
該工作以「Creep-type all-solid-state cathode achieving long life」為題目，發表在了國際知名期刊Nature Communications上。通訊作者：索鎏敏研究員，許榮教授；第一作者：熊小琳。
4：金屬所等揭示全固態鋰電正極材料原子尺度失效機制
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部研究員王春陽，聯合美國加利福尼亞大學爾灣分校教授忻獲麟團隊，基於前期關於液態鋰電正極材料失效機制的研究成果，在全固態電池正極材料的失效機制研究方面取得進展。該團隊利用人工智能輔助的透射電鏡技術揭示了全固態鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結構退化機制，並行現其與傳統液態電池中的退化機制具有顯著差別。
研究表明，全固態電池的晶格失氧和局部應力耦合驅動的表面「晶格碎化」以及脫鋰誘發的剪下相變共同導致層狀氧化物的結構效能退化。表面「晶格碎化」涉及納米級多晶巖鹽相的形成。這一失效模式在層狀氧化物正極材料中被發現。此外，該研究還發現了區別於傳統鋰離子電池中層狀正極的剪下界面新構型和大尺寸O1相的形成。
上述成果拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論，有望為全固態電池的正極材料和正極/電解質界面最佳化設計提供理論指導。
相關研究成果以Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries為題發表在【美國化學會誌】（JACS）上。
5：中國科大成功開發低成本硫化物固態電解質
中國科學技術大學的馬騁教授開發了一種新型硫化物固態電解質。這種固態電解質在展示硫化物固態電解質固有優勢的同時，實作了其它硫化物固態電解質所無法達到的極其低廉、適合商業化的成本。在此次的研究中，馬騁教授采取了完全不同的策略：他不再致力於降低硫化鋰的成本，而是開發了一種不以硫化鋰作為原料的硫化物固態電解質——氧硫化磷鋰。這種固態電解質可以水合氫氧化鋰和硫化磷作為原材料合成。由於這兩種物質均成本低廉，氧硫化磷鋰的原材料成本僅14.42美元每公斤，不到其它硫化物固態電解質的8%，也遠低於50美元每公斤這一商業化的要求，具有很強的成本競爭力。
圖：氧硫化磷鋰和其它硫化物固態電解質的原材料成本比較
同時，氧硫化磷鋰也很好的繼承了使硫化物固態電解質區別於氧化物、鹵化物固態電解質的獨特優勢：它同時具備極低的密度和良好的負極相容性。氧硫化磷鋰的密度僅1.7克每立方厘米，和其它硫化物固態電解質相近，並且低於鹵化物（約2.5克每立方厘米）和氧化物固態電解質（大都高於5克每立方厘米）。與此同時，氧硫化磷鋰和鋰金屬、矽這兩種高能量密度負極都展示了良好的相容性；它和鋰金屬組成的對稱電池能實作4200小時以上的室溫穩定迴圈，而它和矽負極、高鎳三元正極組成的全固態軟包電池，在60攝氏度下迴圈200次後，仍具有89.29%的容量保持率。該成果以「A Cost-Effective Sulfide Solid Electrolyte Li7P3S7.5O3.5 with Low Density and Excellent Anode Compatibility」為題發表在國際學術期刊Angewandte Chemie International Edition上。
文章來源：材料人
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