固態鋰金屬電池的案例
助力高鎳正極全固態鋰金屬電池
（SSEs）是實現高能量密度固態鋰電池的關鍵。
重大《ACS AEM》：高能量密度鋰金屬電池用混合準固態電解質！
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 密歇根大學列出鋰金屬固態電池的主要問題 以推動其商業化發展
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。”
-END-
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展開 中南大學潘安強教授綜述：3D打印鋰金屬循環電池
△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)。
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北科大《AFM》：一種用于固態鋰金屬電池的高壓電解質！
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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展開 同時解決兩個瓶頸，實現高能量密度全固態鋰電池
電解質的離子導電性及其與電極的界面相容性是決定所有固態電池電化學性能的兩個關鍵因素。要獲得性能良好的全固態電池，同時展示出色的離子導電性和兼容的電解質/電極界面是一項巨大的挑戰。
來自中國科學院青島生物能源與過程研究所等單位的研究人員通過在自支撐三維多孔鍍銀鋰(Li6PS5Cl)骨架內原位聚合聚乙二醇甲醚丙烯酸酯，這兩個瓶頸被同時成功解決。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101523
通過這種集成策略設計的具有4.5 V LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2陰極材料的固態鋰金屬電池在室溫下顯示出超過99%的高庫侖效率。固態核磁共振數據表明，Li+主要沿連續的Li6PS5Cl相進行遷移，導致室溫電導率為4.6×10-4S·cm-1，比相應聚合物的電導率高128倍。同時，劣質固體-固體電解質/電極界面通過原位聚合集成，顯著降低界面電阻。因此，這項研究提供了一個非常有前途的固體電解質設計策略，以同時滿足高離子電導率和良好的界面相容性，從而實現高能量密度全固態鋰電池。
圖1|帶有3D硫化物骨架的原位集成ASLB示意圖。
圖2| p-LPSCl的結構分析
圖3| 3D復合材料的表征。
圖4|σLi+和不同固體電解質的促進因子。
圖5| Li+在3D復合材料內的遷移行為。
展開 納米能源所：用于可穿戴電子器件的自愈合固態聚合物電解質！
此外，固態聚合物電解質中的超分子框架還可以使鋰金屬電池具有靈活性，能應用于可穿戴電子設備。
本文中，作者通過動態交聯亞胺鍵設計并合成了用于柔性固態鋰金屬電池的一種新的聚環氧乙烷基自愈合固態聚合物電解質，這種自愈合固態聚合物電解質具有良好的自愈合能力、優異的力學性能和電化學特性，基于可逆亞胺鍵的動態共價聚合物網絡，通過降低聚合物結晶度顯著改善自愈合固態聚合物電解質的離子導電性，并賦予電解質強粘附性，這有利于電解質與電極之間的有效接觸。所制備的自愈合固態聚合物電解質在25°C下的離子電導率高達7.48×10?4，電化學窗口較寬，極限拉伸應變達到524%，此外，這種電解質材料可以自發地恢復其結構和功能，而無需額外的外部處理。組裝的Li|SHSPE|LiFePO4電池在室溫下具有極好的循環穩定性，循環300周后比容量超過126.4mAh g?1。基于這種特殊的自愈合固態聚合物電解質的相應固態鋰金屬電池在室溫下具有穩定的循環性能，在可穿戴電子器件中具有廣闊的應用前景。
展開 雜化動態共價網絡用作鋰金屬電池保護層和固態電解質
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(CE)低、內部短路甚至失效(圖示1a)。(2)鋰金屬與有機電解質反應形成的本征SEI膜具有機械脆性，無法適應較大的體積變化。這種本征SEI層破裂后，暴露在外的金屬Li與有機電解質之間繼續發生副反應，導致SEI更厚，電池循環穩定性降低。為了解決上述問題，研究人員已經嘗試了許多策略來穩定鋰金屬電極，其中，構建具有綜合柔韌性、高效離子導電通道和機械魯棒性的保護層是實現穩定、無枝晶鋰金屬電極的有效途徑。此外，開發具有上述特性的固態電解質可以消除液態LMB固有的低安全性和低性能問題。
動態聚合物網絡具有獨特的適應性、自愈性和可回收性，近年來在能源相關應用中得到了廣泛關注。其自適應行為可以適應Li負極在循環過程中的體積變化。聚合物電解質/保護層的自愈性可以自動修復機械損傷，恢復聚合物電解質/保護層的功能，從而提高LMB的循環穩定性。根據動態鍵的類型，動態聚合物網絡可分為動態物理網絡和動態共價網絡。后者，通常被稱為“類玻璃體”，在室溫下它們類似于傳統的熱固性材料，而由于可逆化學鍵的動態性質，其在熱/光等外部刺激下具有延展性和可回收性。相比之下，動態共價網絡具有機械穩定性和耐溶劑性的優勢，在電池應用中，特別是作為保護層，至關重要。迄今為止，人們一直致力于開發基于動態共價網絡的固態聚合物電解質(SPE)，以提高其在LMB中的電化學性能。
展開 清華大學張強團隊《AFM》：一種超薄、柔性固態電解質薄膜！
，其中固態電解質（SSE）作為全固態鋰金屬電池的關鍵組成部分，有望與鋰金屬負極配合在電池中構建可靠的電化學界面，以擴大工作電壓窗口和提高能量密度。
索爾維向鋰金屬電池公司Sepion投資 實現鋰金屬電池商業化
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，以用于遠程和低成本電動汽車。
（圖片來源：索爾維）
鋰金屬電池的能量密度很高，因此廣受電動汽車市場的歡迎。但由于枝晶生長，該電池很快就會失效，從而無法具有較長的生命周期。基于創新的聚合物隔膜，Sepion的技術可以阻止枝晶生長。
Sepion將當前鋰離子制造基礎和液體電解質優勢相結合，其技術可以更好地被采用。作為鋰離子電解質添加劑方面的領導者，索爾維可對Sepion核心技術實現專業知識的互補，索爾維增長計劃總裁Mike Finelli表示：“這正是我們電池平臺的使命，通過向Sepion投資，我們將加速實現更安全、更高性能和更可持續的電池。”
早前，Sepion開發出一種納米多孔聚合物膜，可提高鋰金屬負極的性能，有望使EV續航里程增加40%，成本降低20%，并提高安全性。
Sepion的當前產品是由膜和鋰金屬陽極組成的鋰電極子組件（LESA），旨在與現有鋰離子制造基礎設施集成，從而降低市場采用障礙。
上述集成可通過混合鋰金屬電池設計實現，其中由Sepion隔膜保護的固體鋰金屬陽極與傳統金屬氧化物陰極和液體電解質配對。
展開 ：固態電池中，固態電解質解決鋰枝晶問
【引言】
最近幾年，高能量電池的技術的發展，導致鋰離子電池負極材料的性能研究的緊迫。但是，鋰離子電池的循環性能較差、效率較低和鋰枝晶生長引發的安全問題。采用固態電解質（SSEs）抑制枝晶鋰生長是一項非常重要的工作。然而，大電流密度下，鋰枝晶容易生成，所以了解SSEs中鋰枝晶的生長機制尤為重要。本文通過研究兩種不同固態電解質各自和鋰之間形成的膜，找到了膜對鋰枝晶形成及生長的影響機理。
【成果簡介】
近日，美國阿肯色大學／西北太平洋國家實驗室的肖婕和華盛頓大學的楊繼輝等人，利用Li6.1Ga0.3La3Zr2O12（LLZO）和NASICON型Li2O-Al2O3-P2O5-TiO2-GeO2（LATP）顆粒作為隔板，通過SSEs研究和比較了進行Li枝晶生長的形成和生長。Li和SSEs之間的固體電解質界面（SEI）類界面層，在緩解樹枝狀Li的生長中起關鍵作用，為SSEs和Li金屬之間的界面提供了新的見解，促進了固態電池的發展。相關成果以“The Role of Solid Electrolyte Interphase Layer in Preventing Li Dendrite Growth in Solid-State Batteries”為題發表在Energy & Environmental Science上。第一作者為阿肯色大學的吳冰斌博士和華盛頓大學的王善禹博士。
【圖文導讀】
圖 1 對稱鋰離子電池的循環性能圖
（a）室溫下，對稱Li/LLZO/Li電池的循環性能圖；
（b）室溫下，對稱Li/LATP/Li電池的循環性能圖。
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固態電池閉環正極回收
（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。
組裝后，球磨的ORION 1：2固態電解質（尚未熱退火）顯示出Li(DME)TFSI微晶的分散體，在斷層照片中表現出具有高度對比度的特征（圖4D）。鋰金屬和球磨ORION 1：2材料之間的界面也很粗糙（圖4D，放大區域）。在100°C下5分鐘后，Li(DME)TFSI微晶完全溶解到包含兩性離子SBU和聚合物粘度調節劑的基質中（圖4E）。ORION 1：2固態電解質的原位形成及其滲透到隔膜和正極中，在鋰金屬（圖4E，放大區域）和隔膜處產生了共形界面，在橫截面中觀察到其編織，沒有明顯的畸變。與ORION 1：2固態電解質的接口。進一步推測了正極滲透的程度，從斷層圖像的該區域以及從這個角度看整個多孔正極從黑暗（空孔）到明亮（ORION填充的孔）的演變。這向表明，所有固態ORION滲透的鋰金屬電池都應表現出可逆循環行為，因為電池循環所需的所有活性材料在熱退火后都與固態電解質接觸。為了了解建立共形界面如何影響ORION 1：2材料的全固態SSB性能，以50 μA cm?2（圖5A和5B）或100 μA cm?2的電流密度循環Li|ORION|LFP電池（圖5C和5D），分別為~0.25C和0.5C（1C=150 mA g?1）。兩種電池的比容量均接近LFP的理論容量。在電流密度為50 μA cm?2下循環的電池在100次循環后保留了85%的容量，而在100 μA cm?2下循環的電池在同一時期內保留了82%的容量。
展開 Sakuú公司3D打印3Ah鋰固態電池
導讀：固態電池是被廣泛認可的下一代電池技術，目標是解決新能源車對安全性與長續航的需求。因為安全性和能量密度方面的優勢，固態電池非常適合消費、航空航天、移動和許多其他應用。隨著3D打印技術向能源領域的拓展，新型固態電池制造技術逐漸從概念轉變為現實。
△多材料噴射技術
南極熊獲悉，自動化多工藝增材制造 (AM) 領導者Sakuu Corporation（前身為 KeraCel Inc.）于2021年7月28日宣布，已開發出一種3Ah鋰固態電池 (SSB)，性能等同于或優于當前的鋰電池。Sakuú計劃在2021年第三季度末和第四季度的向合作伙伴提供電池樣品。
△Sakuu的第一代固態電池。圖片由Sakuu提供。
Sakuú一直在開發第一代SSB電池技術及旗艦增材制造平臺，據稱平臺使用多材料粘合劑噴射工藝，并將于2021年年底投入商業使用。第一代電池包括30個子電池，使用鋰金屬和陶瓷隔板。另外，電池設計使用當前行業標準陰極材料（未來或許會使用支持更高電壓的陰極材料），可產生高達25%的能量。
△多材料多工藝3D打印平臺
Sakuú首席執行官兼創始人Robert Bagheri表示，公司開發了第一代SSB，以證明電池技術在 Sakuú 1000 先進3D打印平臺的可行性。他還補充說，在過去一年里，公司將電池能量容量提高了100倍，體積能效提高了12倍以上，并計劃在2022年初開始批量生產電池，滿足戰略合作伙伴需求。
固態電池3D打印現在已經成為增材制造在能源領域發展的風向標，各家公司都在努力奪取這塊“高地”。2021年5月，Sakuú宣布了新型工業級3D電動汽車電池打印機，高調進軍能源市場。一個月之后，又公開三項專利，進一步完善技術。
展開 剪斷了還能通電的電池來了！國內首條固態鋰電池產線在昆山建成投產
11月19日，第二屆鋰電池技術與產業發展論壇在昆山舉行。記者從論壇上獲悉，國內首條固態鋰電池產線已于11月份在昆山建成投產，并推出了第一批固態鋰電池產品。
固態鋰電池摒棄了易燃易爆的危險化學品——電解液，具有能量密度高、安全可靠、可實現柔性/微型化等特點。即使對電池進行針刺、剪切、擠壓、重物沖擊等各種物理破壞均不會出現冒煙、起火、爆炸的安全事故，滿足特殊應用場景的高安全需求。
固態電池是目前學術界和產業界公認的下一代鋰電池發展方向，包括豐田、東芝、蘋果以及寶馬、奔馳、大眾等國際知名企業都在這個領域有所布局。清陶(昆山)能源發展有限公司脫穎而出，成功研發高安全高能量密度固態鋰電池技術，并率先建成固態電池產線，成為行業領跑者。
隨著固態電池技術的進一步提升，清陶將根據市場需求不斷推進技術演進，目前已與多家大型車企開展合作，對于固態電池裝備整車有了明確的路線圖，預計在2020年能夠滿足車企在動力電池方面的需求，為其提供電池方案。
（來源：江蘇廣電融媒體新聞中心 作者：耿昊東 郭彧）
展開 鋰電池的圣杯：崔屹課題組揭示金屬鋰在二次電池中的循環機理
剝離過程中鋰的極化行為
本文的機理分析清晰地指出了鋰負極進一步優化的若干可能策略，包括最小化界面空隙，提高SEI層的離子導電性，改善鋰負極的制造工藝以減少非均一性等。
點評
馬里蘭大學莫一非教授向知社介紹：
實現可循環的鋰金屬電極一直被認為是鋰電池的圣杯，也是實現下一代高能量密度充電電池的關鍵。如何有效的沉積鋰金屬而不導致鋰枝晶的生長是一個十分重要而又懸而未決的問題。盡管文獻中報道了許多的實驗嘗試，但鋰金屬沉積和剝離的機理仍不清楚。
崔屹老師這組工作系統表征了不同的電解液以及各個因素對鋰金屬沉積和剝離的影響。Shi（2017）發現在不同條件下沉積的鋰金屬有著顯著不同的晶向和織構，會對沉積的鋰金屬形貌以及電化學性能有很大影響。這個發現揭示了鋰金屬的原子結構與形貌性能之間存在的關聯，對進一步理解鋰金屬沉積的機理以及最終實現可控的鋰金屬沉積有重要的意義。而Shi（2018）進一步揭示了鋰金屬通過固態電解質膜（SEI）的剝離機制，指出了SEI膜的結構與性質對于鋰金屬剝離的重要影響。這個發現對通過優化SEI來提高鋰金屬電極性能有重要的啟示。
這兩篇文章對于理解鋰金屬沉積和剝離的機理和進一步的鋰金屬電極研究有十分積極的意義和啟發。尤其值得借鑒學習的是在電化學測試的基礎上結合系統仔細的表征工作來提升對機制的理解。這組工作也為進一步通過理論計算揭示鋰金屬沉積剝離的原子級尺度機制提供了重要的實驗參考。
來源：知社學術圈
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