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近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在材料類頂級國際期刊《Advanced Energy Materials》（《先進(jìn)能源材料》，影響因子25.245）發(fā)表了題為《Toward the Scale-Up of Solid-State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab-Level Cells and Practical Large-Format Batteries》的綜述文章，聚焦固態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池的實(shí)用化瓶頸。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生徐磊。

固態(tài)電解質(zhì)由于具備高穩(wěn)定性、低可燃性、無泄漏和爆炸危險等優(yōu)點(diǎn)，是取代傳統(tǒng)可燃電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)高安全性鋰電池的不二之選。同時，具有寬電化學(xué)窗口和高機(jī)械強(qiáng)度的固態(tài)電解質(zhì)能夠充分發(fā)揮鋰金屬負(fù)極和高壓正極的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高安全性高能量密度鋰金屬電池的構(gòu)建。然而，目前實(shí)驗(yàn)室級別的研究結(jié)果難以完全支撐固態(tài)電池應(yīng)用化的需求，相較于可實(shí)用體系電池仍存在一定的差距。

圖1. 固態(tài)電解質(zhì)與固態(tài)電池的發(fā)展歷程

文章簡要回顧了固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展歷程（如圖1所示），總結(jié)了近年來固態(tài)電解質(zhì)及其在鋰金屬電池中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了固態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池實(shí)現(xiàn)高能量密度、高安全性的巨大潛力。文章指出目前實(shí)驗(yàn)室級別的研究通常在較為溫和的條件下進(jìn)行評測，一些先進(jìn)的指導(dǎo)性策略難以在實(shí)用化系統(tǒng)電池中發(fā)揮效用。相較于實(shí)用化軟包電池，實(shí)驗(yàn)室模型體系級別的電池在結(jié)構(gòu)、材料制備、電池裝配和評測過程中存在很大的體系差異。因此，對固態(tài)電池放大過程中科學(xué)問題的深入理解，以及將實(shí)驗(yàn)室級別的策略與大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池實(shí)用化的關(guān)鍵。

圖2. 固態(tài)電解質(zhì)鋰金屬電池從模型體系放大過程中面臨主要挑戰(zhàn)

文章從固態(tài)電解質(zhì)、正極、負(fù)極和電池構(gòu)型四個方面出發(fā)，詳細(xì)論述了其放大過程中存在的挑戰(zhàn)和未來的機(jī)遇，歸納了電池放大過程中存在的共性問題和主要差異（圖2）。重點(diǎn)討論了工業(yè)化生產(chǎn)條件下，固態(tài)鋰金屬電池各組分在結(jié)構(gòu)、制備和組裝過程中的具體要求。著重強(qiáng)調(diào)了其中極具潛力的發(fā)展方向，如干電極制備方法、正極支撐的電池裝配法和基于疊片技術(shù)的雙電極技術(shù)方案等。論文還指出軟包電池制備工藝與固態(tài)電解質(zhì)兼容性好，可能有利于發(fā)揮固態(tài)電池高能量密度的優(yōu)勢。該綜述有望為今后固態(tài)電解質(zhì)的研究和電池制造技術(shù)的開發(fā)提供參考。

附作者簡介：

黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開展高比能電池能源化學(xué)研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊發(fā)表研究工作100余篇，h因子為77，其中50余篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎，2018-2020年科睿唯安高被引科學(xué)家等。

論文詳情：Lei Xu, Yang Lu, Chen‐Zi Zhao, Hong Yuan, Gao‐Long Zhu, Li‐Peng Hou, Qiang Zhang, Jia‐Qi Huang*. Toward the Scale‐Up of Solid‐State Lithium Metal Batteries: The Gaps between Lab‐Level Cells and Practical Large‐Format Batteries, Advanced Energy Materials, 2020, 2002360.

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202002360