作為當今能源領域的翹楚，鋰電池可謂風光無限。但是，想要持續保住霸主之位，還必須下苦功夫，固態電池則是該領域不斷向前的新法寶。
今日，Nature Energy連續刊發3篇鋰電池有關論文，其中2篇是關于全固態電池。讓我們來看看，全固態鋰電池到底該怎么做？
1. Nature Energy分析：全固態鋰電池的性能基準測試
提高電化學儲能裝置的能量密度、功率密度以及能量保持率是發展全固態電池的主要動力。然而，由于人們在對全固態電池的性能進行報道時缺乏獨立的性能指標以及基準參考因而很難從已有文獻中獲得具有參考性的全固態鋰電池的性能。在本文中，德國吉森大學的Felix H. Richter與Jurgen Janek將組成復雜的全固態鋰金屬電池簡化并利用這個極簡體系來對所有全固態電池得而性能進行了衡量。
本文要點
1) 為了得到一個具有參考性的基準體系，研究人員將全固態電池簡化為只包含鋰金屬負極、β-Li3PS4固體電解質和Li（Ni0.6Co0.2Mn0.2）O2（NCM622）正極活性材料的基準體系。在這個簡化過程中研究人員避免了使用材料涂層或含碳添加劑以便這種極簡固態電池能夠作為具有最低性能的參考標準。
2)作者調研了大量參考文獻后繪制了Ragone圖和循環性能-放電比能量圖來對不同電池體系以及不同循環方案的電池差異進行直接比較。比較的結果說明，一旦在全固態電池中使用的固態電解質層厚度過大就將使得整個全固態電池的相關性能（如能量密度和功率密度）變得飄忽不定而不再具有可參考性。研究人員還發現在高比能的固態體系中使用保護性涂層能夠顯著改善其電化學性能。
3)作者在文章中提出了電池性能的基本方程，利用這個方程計算出全固態鋰電池發展需要實現的一些基本目標包括電池內阻小于40Ω cm2、隔膜厚度小于50微米、負極的原位生成、高于5mAh/cm2的正極面容量以及高于500Wh/kg的正極假想能量密度等。
Simon Landau et al, Benchmarking the performance of all-solid-state lithium batteries, Nature Energy, 2020
DOI: 10.1038/s41560-020-0565-1
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0565-1
2. Nature Energy:銀-碳復合負極助力高比能長壽命全固態鋰金屬電池！
使用金屬鋰作負極的全固態鋰金屬電池無論在容量還是能量密度上都遠遠優于傳統的鋰離子電池。然而，鋰負極不受控的枝晶生長以及低庫倫效率嚴重制約了全固態鋰金屬電池的實用化發展。近日，韓國三星電子有限公司的Yong-Gun Lee與Dongmin Im以及日本三星研究院的Yuichi Aihara等使用硫化物固態電解質與不含過量Li的銀-碳復合負極構建了一種高性能全固態鋰金屬電池。
本文要點
1）研究人員以Ag-C納米復合電極取代金屬鋰作為電池負極，Ag在Li中的溶解減低了金屬鋰在集流體上發生沉積時的過電勢，從而能夠有效調節金屬鋰的沉積-剝離過程，從而賦予全電池以更長的電化學壽命。在之前的很多文獻中碳常常作為保護層或三維集流體，但在這里C層起到的是隔膜的作用阻擋了金屬鋰與固態電解質的直接接觸從而提高了固態電解質的穩定性并避免金屬發生滲透。
2）該工作所使用的全電池體系以硫銀鍺礦型硫化物作為固態電解質，以比容量超過210mAh/g、面容量高于6.8mAh/cm2的高鎳層狀過渡金屬氧化物（LiN0.9Co0.05Mn0.05O2, NCM955)作為正極材料然后利用等溫靜壓技術來改善固態電解質與正負極之間的界面接觸。其中，硫銀鍺礦型固態電解質薄膜不僅離子電導率很高而且還剛柔并濟能夠簡化生產工藝并保持固態電解質與電極的緊密接觸。為了避免正極材料在高壓下的界面副反應，研究人員在NCM955正極表面包覆了一層厚度為5nm的Li2O-ZrO2涂層。
3）研究人員利用上述技術與材料開發出的雙層疊片式軟包電池的能量密度以堆疊式電池整體作為計算標準仍高達942Wh/kg，平均庫倫效率高達99. 8%，且能夠保持穩定循環超過1000周。
Yong-Gun Lee et al, High-energy long-cycling all-solid-state lithium metal batteries enabled by silver–carbon composite anodes, Nature Energy, 2020
DOI: 10.1038/s41560-020-0575-z
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0575-z
3. Nature Energy:部分有序鋰離子電池正極材料的超高功率密度與能量密度
二次電池市場的火爆發展要求電極材料兼具低成本、高能量密度、高功率密度等多重性能。近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Gerbrand Ceder教授發現在電極材料中將類尖晶石的陽離子序列與過量的鋰相結合能夠同時實現高能量密度與高功率密度。
本文要點
1)研究人員發現化學計量過量的陽離子以及由此產生的部分有序結構可以用來消除傳統有序尖晶石材料中的不可逆相變并賦予其更高的實際容量。而大量過量的鋰則能夠與氟取代策略共同幫助實現更高的離子遷移能力。
2)研究人員利用上述策略成功地制備出了能量密度高達100Wh/kg且放電倍率高達20A/g的鋰離子電池正極材料。而且更讓人振奮的是，這種利用廉價的含錳原料制備的正極材料中還實現了優異的倍率性能與可逆陰離子氧化還原的共存。該工作表明在廣闊的無序與有序空間內進行優異電極材料的設計十分富有前景。
Huiwen Ji et al, Ultrahigh power and energy density in partially ordered lithium-ion cathode materials, Nature Energy, 2020
DOI: 10.1038/s41560-020-0573-1
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0573-1
