全固態(tài)鋰電池的性能測試標準和商業(yè)化指標要求等
提高電化學儲存裝置的比能量、能量密度、比功率、能量效率和能量保持率是推動全固態(tài)電池發(fā)展的主要動力。然而，對全固態(tài)電池性能的一般評估往往很難從已發(fā)表的報告中得出，這主要是因為性能測量之間的相互依賴，但也因為缺乏基本的參考系統(tǒng)。在這里，作者提出的全固態(tài)電池只包含一個鋰金屬負極，β-Li3PS4固體電解質和Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2正極活性物質。作者使用這個最簡單的系統(tǒng)來對全固態(tài)電池的性能進行基準測試。在Ragone類型的圖表中，作者將硫代磷酸酯、氧化物、磷酸鹽和聚合物全固態(tài)電池的文獻數據與這種精簡的電池進行了比較。利用關鍵性能參數的基本方程，確定了高能、大功率、實用型全固態(tài)電池的研究目標。
Benchmarking the performance of all-solid-state lithium batteries
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0565-1
02
為了全面了解鋰離子在電池固體電解質中的傳輸機理，不僅要對其周期性晶格進行全面的研究，而且要對破壞理想周期性的非周期性特征進行全面的研究。目前，力學研究中只考慮了有限數量的點缺陷和晶界等非周期特征。在這里，作者發(fā)現(xiàn)了另一種顯著影響離子傳輸的非周期特征，這種特征被稱為“單原子層陷阱”(SALT)。在原型固體電解質Li0.33La0.56TiO3中，電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)形成閉環(huán)的單原子層缺陷(即鹽)無處不在。根據計算，這些缺陷環(huán)阻止了大量材料參與離子輸運，從而嚴重降低了總電導率。這一發(fā)現(xiàn)指出了深入研究不同類型的非周期特征的緊迫性，并激勵了對其他固體電解質的類似研究。
Single-atom-layer traps in a solid electrolyte for lithium batteries
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15544-x
03
單分散FeF2納米晶正極的轉化機理和性能研究
人們對過渡金屬氟化物作為高能量正極材料在鋰離子電池中的應用認識一直不足。在這里，作者提出了一個理想的體系，通過膠體合成單晶、單分散的氟化鐵納米棒來進行機理研究。單獨使用離子液體電解質可獲得高容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，形成穩(wěn)定的固體電解質界面，防止粒子熔融。這種穩(wěn)定性可在更高的速率(C/2)和更高的溫度(50 °C)下持續(xù)200多個循環(huán)。高分辨透射電子顯微鏡揭示了復雜的形貌特征、晶格取向關系和氧化態(tài)變化，全面描述了轉化機理。表面特異性反應對相演化、擴散動力學和電池失效有重要影響。這一新的發(fā)現(xiàn)展示FeF2固有的高放電倍率能力。
Understanding the conversion mechanism and performance of monodisperse FeF2nanocrystal cathodes
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0621-z
04
該工作采用分子動力學方法刻畫了典型玻璃態(tài)75Li2S–25P2S5中鋰離子的遷移過程，發(fā)現(xiàn)鋰離子的遷移是通過如下聯(lián)合機制發(fā)生的：鋰離子的協(xié)同運動與PS43-陰離子的定向運動相結合。其中，陰離子的定向運動效應被稱為“明輪”機制。明輪機制一般出現(xiàn)在高溫結晶聚合物中。與結晶材料相比，玻璃材料中的明輪動力學有助于室溫下離子的遷移。通過刻畫與離子遷移的空間、時間、振動以及能量的關聯(lián)性，證實了明輪效應對Li+遷移的貢獻。此外，玻璃中的動力學與穩(wěn)定的結晶類似物γ-Li3PS4中的動力學不同。在γ-Li3PS4中，陰離子重定向被忽略，離子遷移率降低。因此，這些體系可能是尋找新的固體電解質的方向。
Low-temperature paddlewheel effect in glassy solid electrolytes
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15245-5
05
全固態(tài)鋰金屬電池被認為是超越傳統(tǒng)鋰離子電池的有力競爭者。然而，不可避免地鋰枝晶生長和庫倫效率低等問題阻礙了它們的實際應用。為解決這一問題，韓國三星先進技術研究所Yong-Gun Lee、Dongmin Im?和三星在日本大阪研究中心的Yuichi Aihara等人通過使用不含過量鋰的銀-碳納米復合陽極和硫化物電解質構建了一種高性能全固態(tài)鋰金屬電池。研究發(fā)現(xiàn)，復合陽極能夠有效調節(jié)金屬鋰的沉積-剝離過程，增加電極-電解質界面穩(wěn)定性，從而賦予全電池以更長的電化學壽命。全電池測試過程中，研究人員采用具有高比容量（> 210 mAh g-1）和高面容量（> 6.8 mAh cm-2）的高鎳層狀氧化物陰極，以銀輝石型硫化物為固態(tài)電解質，并利用等溫靜壓技術來改善電極與電解質之間的界面接觸。所組裝的原型袋式電池（0.6 Ah）在60 ℃表現(xiàn)出高能量密度，超過99.8%的穩(wěn)定庫侖效率和長循環(huán)壽命（1000圈）。
High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0575-z
06
隨著電子設備和電動汽車的快速發(fā)展，人類對于高能量密度電池的需求日益增加。由于鋰硫電池具有高理論比容量、高能量密度、環(huán)境友好和低成本等優(yōu)點，已經成為最具潛力的新一代儲能器件，然而多硫化物的“穿梭效應”嚴重影響了鋰硫電池的循環(huán)壽命，進而阻礙了其進一步商業(yè)化應用。目前大部分抑制多硫化物“穿梭效應”的研究主要集中在鋰硫電池載硫材料的制備。載硫材料大致可以分為兩類：一類是基于物理束縛作用的非極性碳基材料，另一類是基于化學吸附作用的極性雜原子摻雜碳材料和金屬化合物，但是這兩類電極材料都存在制備工藝復雜和載硫量過低等問題，同時充放電過程中存在嚴重的體積變化而導致的不可恢復的結構破損難題。在電極/電解液界面構建一個可恢復的保護層是解決上述問題的有效方法之一，因此如何在抑制多硫化物“穿梭效應”的同時實現(xiàn)界面保護層的可恢復性是值得探究的課題。
Switchable encapsulation of polysulfides in the transition between sulfur and lithium sulfide
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14686-2
07
鋰金屬被認為是未來可充電電池的最終負極材料，但由于鋰枝晶的不可控生長，鋰金屬電池的發(fā)展受到了嚴重制約。于是人們寄希望于固態(tài)電解質，希望用機械剛性固態(tài)電解質這座“大山”來壓制鋰枝晶生長。然而，現(xiàn)實是殘酷的，多位研究者發(fā)現(xiàn)鋰枝晶仍然能在固態(tài)電解質中生長。解決這個問題需要對鋰枝晶的生長和相關的電化學力學行為有一個基本的理解。作者將原子力顯微鏡與環(huán)境透射電子顯微鏡（AFM–ETEM）進行巧妙結合，實現(xiàn)了觀察鋰晶須原位生長的同時，對其進行了應力測量。
Lithium whisker growth and stress generation in an in situ atomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x
08
全固態(tài)鋰離子電池保證了更安全的電化學能量存儲，具有更大的體積能量密度和重量能量密度。一個主要的問題是固體電解質的有限的電化學穩(wěn)定性和相關的有害電化學反應，特別是因為我們的認識有限。在這里，作者論證了固體電解質不是通過固體電解質的(脫)鋰狀態(tài)直接分解成熱力學穩(wěn)定的分解產物，而是固體電解質的電化學穩(wěn)定窗口明顯大于直接分解的預測，使觀察到的穩(wěn)定窗口合理化。所提出的機制的基本性質表明，這通常是固體電解質的一個關鍵方面，對全固態(tài)電池材料設計具有指導作用。
Clarifying the relationship between redox activity and electrochemical stability in solid electrolytes
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0576-0
