固態鋰金屬電池
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-27
固態鋰金屬電池的實例教程
（SSEs）是實現高能量密度固態鋰電池的關鍵。
聚環氧乙烷型固態電解質的基本結構是聚環氧乙烷鏈與鋰離子絡合，將鋰離子與反陰離子分離，這種結構通過類似于液態電解質的溶解機制支持聚環氧乙烷中鋰鹽的溶解，
因此，人們一直致力于提高聚環氧乙烷型固態電解質的電導率并降低其工作溫度。
在此，為了解決聚環氧乙烷電解質的低離子電導率問題，作者首次提出了一種獨特的混合準固態電解質設計，用于高能量密度鋰金屬電池。混合設計包括硅離子凝膠與聚環氧乙烷鏈絡合以及Li6.5Mg0.05La3Zr1.6Ta0.4O12活性納米填料的分散，復合混合設計不僅產生高離子導電性，而且有效限制了鋰枝晶的生長。4V準固態鋰金屬電池由混合準固態電解質、鋰金屬負極和NCM523正極構成，其放電容量為124mAhg?1，以0.1C的電流密度在55℃的高溫下循環50周后，容量保持率為61.4%。
總之，作者報道了一種新型鋰電池準固態電解質，其采用三種材料復合混合設計。混合準固態電解質具有優良的離子導電性能，在25℃時電導率為7.42×10?4 S cm?1，35℃時電導率為1.3×10?3 S cm?1，且電子電導率低，電化學穩定窗口寬。同時，作者證明了復合混合準固態電解質對鋰枝晶的生長有顯著抑制作用，準固態Li∥LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和Li∥LiFePO4電池采用了這種復合混合準固體電解質。這項研究表明，聚合物、無機陶瓷導體和離子凝膠的集成為探索鋰金屬電池新型電解質提供了一種選擇。
展開 與鋰離子電池不同，鋰金屬固態電池不需要使用笨重的電池管理系統，來維持耐久性或降低著火風險。減少電池管理系統的質量和體積，或完全不使用這種系統，將如何影響固態電池的性能和耐久性？
為了使鋰金屬與陶瓷電解質保持恒定接觸，需要使用額外的器件，這是否會影響電池組性能？
密歇根大學的研究人員表示，為了推動鋰金屬電池發展，需要進行嚴格的測試和數據分析，并保證研究透明度。“在這種情況下，我們強調，必須使用一致的測試協議和數據分析方法，以汽車制造商和其他行業伙伴提出的實際輸入和設計標準為指導，進一步了解這些系統的機械性能。”
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展開 △3D打印在LMBs中的主要技術和應用示意圖
3D打印鋰金屬電池的優勢
正極設計：3D打印可精確的設計正極電極結構，實現二維電極轉為三維電極可控轉變，可提高電極表面活性，縮短離子傳輸距離，實現高載量正極制備。
結構化負極：通過3D打印構筑結構化鋰金屬負極，可增大電極的比表面積，將總電場均勻地分布在整個多孔電極中，達到降低有效電流密度，均勻沉積和抑制電極體積膨脹的目的，從而提高電池的循環穩定性與安全性。
隔膜/固態電解質設計：3D打印隔膜可實現隔膜結構合理化設計，從而均勻的離子通量，減少鋰枝晶的形成。為了使固態鋰電池也獲得高的離子電導率，通常需要將固體電解質摻入正極的活性材料中，這種固-固結合的界面必須是無縫且具有足夠的靈活性，以滿足充放電過程中所造成的幾何變化。3D打印可精細優化界面結構，滿足固態鋰金屬電池中嚴苛固-固界面要求。
△3D打印在鋰金屬電池中的應用
3D打印鋰金屬電池挑戰與未來
目前3D打印鋰金屬電池存在許多挑戰，包括原材料選擇范圍小，不同組件打印的兼容性差，嚴格電池組裝條件，打印精度低等問題，未來應該探索多樣化打印原材料，開發更先進的3D打印技術或者聯合其他先進技術以提高打印的精度和效率，簡化打印后處理過程。同時在打印電池器件方面，可開發固態鋰金屬全電池一體化設計，探索特殊定制應用(如：柔性，可穿戴及不規則圖案鋰金屬電池)。
展開 圖3.a)Li||PISE||Li和Li|雙Li||Li對稱電池在0.2 mA cm?2和30°C時的電壓分布。
圖4.超厚陰極陰極的掃描電鏡圖像a)俯視圖，b)底視圖，c，d)不同放大倍率下的橫斷面圖。
圖5.a）不同速率下的充放電電壓波形和b）電池的速率容量DCP@LCO||PISE | |鋰電池。
圖6.a)PISE電池的典型充放電電壓范圍；b)電池在2.8-4.3V和0.5C下的循環性能。
綜上所述，本文基于超分子相互作用和配位電子等原理，將PME整合到雙鋰鹽中，得到了一種PISE。精心設計的PISE具有3.57×10-4S cm-1的離子電導率，0.62的高離子遷移數，25°C下超過5.0V的寬電化學窗口。此外，PISE中的羧基與DCP基陰極和鋰陽極具有很強的粘附性，這提高了電解質/電極的兼容性。在實際應用中，基于POISE的LiCoO2||Li固體電池在超高負極負載的高壓下既具有優異的倍率性能，又具有優異的循環性能。更重要的是，基于PESE的LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2||Li固態軟包鋰電池即使在極端惡劣的條件下也具有令人印象深刻的安全性和靈活性。（文：SSC）
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同時，固態電池可使用鋰金屬作為負極以提高電池的能量密度，目前液態鋰電池能量密度的天花板是300Wh/kg，而固態鋰電池的理論能量密度是700Wh/kg，是液態鋰電池的2倍以上，更適用于eVTOL。
長期目標（2030 年）是加快研發，以實現革命性電池技術的示范和大規模生產，包括無鈷/無鎳固態電池和鋰金屬電池，生產成本低于 60 美元/千瓦時，比能量為 500 Wh kg-1。2021 年 10 月晚些時候，美國能源部（DOE）宣布為研究先進電池、電動汽車和聯網汽車的 26 個新實驗室項目提供 2.09 億美元的資金。其中 17 個項目重點研究固態電池。
（A）用球磨的ORION粉末制造所有固態鋰金屬電池，這些粉末最初夾在多孔正極和鋰金屬負極之間。（B）在100°C及以上，ORION導體是粘彈性液態，可滲透多孔正極，同時也符合鋰金屬表面。（C）冷卻后，ORION導體凝固，形成全固態鋰金屬電池。（D）組裝后的ORION SSB和（E）熱調節后的ORION SSB的同步輻射硬X射線斷層掃描圖像。
來源 | 高分子科學前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩定的固態電解質界面(SEI)問題。(1)由于循環過程中負極側不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率
如中國在《節能與新能源技術路線圖2.0》中明確到2035年高性能電池能量密度＞500Wh/kg，成本＜0.4元/Wh；美國明確未來電池將朝無鈷無鎳發展，2030年量產固態電池和鋰金屬電池；歐盟則計劃在2025年量產第三代鋰電池和2030年量產第四代鋰離子電池；日本和韓國則將加速全固態電池的商業化。
盡管液-固界面在科學領域是最基礎的概念，但由于現有工具在納米尺度上同時研究液相和固相方面存在缺陷，因此，描述這種精細的界面仍然不盡于人意。這將導致人們對電池系統中關鍵界面的結構和化學的理解有很大的差距。
在此，來自美國斯坦福大學的Wah Chiu
液體電解質（LE）不僅存在泄露和可燃性問題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過程中存在枝晶鋰的生成和過熱現象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質構成的凝膠聚合物電解質（GPE）擁有高的離子電導率，高的鋰離子遷移數，寬的電化學窗口和稀少的電解液泄露等優勢，被廣泛深入地研究
蓋世汽車訊 據外媒報道，索爾維風險投資基金索爾維風投（Solvay Ventures）對電池初創公司Sepion進行投資。Sepion總部位于加利福尼亞，專門為采用鋰金屬陽極和液體電解質的電池提供先進隔膜。該公司在此輪投資中共獲得1600萬美元，由Fine Structure Ventures領投，其他氣候技術投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實現鋰金屬電池的商業化
全固態鋰離子電池是下一代高能量密度和安全儲能技術的有力候選者。作為一種無電解液體系，它不存在傳統使用有機溶劑電解液的鋰離子電池的泄漏和產氣所產生的熱失控風險。因此，電池安全性的研究偏向使用固體電解質。目前固態電解質顯示出的電導率已經接近并超過液態電解質。如鋰超離子導體（LISICON），硫銀鍺礦型，石榴石型和鈉超離子導體（NASICON）型結構。但是，以上固態電解質的發展仍然面臨一個關鍵挑戰就是在
蓋世汽車訊 據外媒報道，廈門大學的研究團隊開發了一種新策略，可用于制造無枝晶鋰金屬電池，其基礎是利用預隧穿石墨層在石墨中形成夾層和層內原子通道。所獲得的原子通道，能夠支持鋰快速自由地擴散，并具有增強動力學特性。
（圖片來源：greencarcongress）
以鋰作為儲能系統中的負極材料，
