鋰金屬電池用高性能PEO/陶瓷復(fù)合固體電解質(zhì)的合理設(shè)計(jì)

鋰金屬電池因其高的理論比容量(3860 mAh g?1)和能量密度而受到人們的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的鋰金屬電池中使用易燃、易揮發(fā)的有機(jī)液態(tài)電解液，枝晶的不可控生長、電解液/Li界面不穩(wěn)定和循環(huán)穩(wěn)定性差等，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。固態(tài)電解質(zhì)作為液體有機(jī)電解液的潛在替代品，在安全性和抑制枝晶方面具有潛在的優(yōu)勢，有望充分發(fā)揮金屬鋰負(fù)極高比能的優(yōu)勢。其中，PEO/陶瓷復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)因PEO較高的Li?溶解能力、柔韌性、可加工性、低成本，以及協(xié)同陶瓷電解質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在固態(tài)鋰金屬電池中受到廣泛的關(guān)注。

本文亮點(diǎn)

1. 從“聚合物中的陶瓷”和“陶瓷中的聚合物”兩個(gè)方面總結(jié)了PEO/陶瓷CSEs的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用。

2.對(duì)鋰金屬電池用PEO/陶瓷CSEs存在的挑戰(zhàn)和未來研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

內(nèi)容簡介

聚環(huán)氧乙烷(PEO)復(fù)合固體電解質(zhì)(CSEs)因PEO的高Li?溶解能力、良好的加工性與低成本等優(yōu)點(diǎn)，已成為制備高性能固態(tài)鋰金屬電池的關(guān)鍵材料。然而，PEO室溫離子電導(dǎo)率不理想、界面相容性差以及不可控的Li枝晶生長等問題嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。研究者致力于將PEO與陶瓷復(fù)合，以期取長補(bǔ)短，提升PEO或改善陶瓷電解質(zhì)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)各組分的協(xié)同性能發(fā)揮。其中，CSEs包括了陶瓷相作為填料和骨架兩類，合理設(shè)計(jì)兩相結(jié)構(gòu)、空間分布和含量，是提高離子電導(dǎo)率和解決CSEs內(nèi)部和CSEs/電極之間界面相容性的關(guān)鍵。

盡管大量的綜述涉及了聚合物和陶瓷，但專門討論基于PEO/陶瓷CSEs的設(shè)計(jì)、制備和性能的系統(tǒng)性綜述較為缺乏。因此，西北工業(yè)大學(xué)王洪強(qiáng)、徐飛教授等人系統(tǒng)地綜述了近年來PEO/陶瓷基CSEs的研究進(jìn)展，首先簡要介紹了其離子導(dǎo)電機(jī)理、制備方法，然后重點(diǎn)討論了離子電導(dǎo)率調(diào)控與界面兼容性改善策略。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了CSEs在過渡金屬氧化物和硫?yàn)檎龢O的全固態(tài)鋰金屬電池中的性能研究。最后，對(duì)目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

圖文導(dǎo)讀

I Li?傳導(dǎo)機(jī)制

1.1 PEO/陶瓷結(jié)構(gòu)對(duì)Li?傳導(dǎo)路徑的影響

通常，PEO/陶瓷中Li?傳導(dǎo)有三種可能路徑，包括在PEO相、PEO/陶瓷界面和陶瓷相(圖1)。在“聚合物中的陶瓷”結(jié)構(gòu)中，陶瓷填料有助于抑制PEO鏈的結(jié)晶。在PEO中摻入填料可以通過產(chǎn)生更多的無定形區(qū)域來提高離子電導(dǎo)率，從而促進(jìn)鏈段的運(yùn)動(dòng)。納米顆粒填料通常不連續(xù)地分散在PEO基質(zhì)中(圖1a)。

在這種情況下，和填料是惰性的還是導(dǎo)電的無關(guān)，Li?傳導(dǎo)路徑主要發(fā)生在PEO相中，進(jìn)一步增加CSE中陶瓷的比例時(shí)，Li?傳導(dǎo)路徑除在PEO相中，也在PEO/陶瓷界面處傳導(dǎo)，這對(duì)于調(diào)節(jié)基于PEO基CSE中的Li?傳導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用(圖1b)。相反，在“陶瓷中的聚合物”結(jié)構(gòu)中，PEO-Li鹽絡(luò)合物被嵌入或限制在連續(xù)的、緊密填充的陶瓷基體中(圖1c)。在這種結(jié)構(gòu)中，陶瓷基體通常具有Li?傳導(dǎo)性，陶瓷除了類似作為填料抑制PEO相的結(jié)晶外，還在陶瓷基體內(nèi)和界面上提供了連續(xù)的Li?傳導(dǎo)通路。

圖1. (a)PEO相中，(b)PEO相和PEO/陶瓷界面和(c)PEO相和陶瓷相以及PEO/瓷界面的Li?傳導(dǎo)路徑的示意圖。 1.2 表征技術(shù) 目前，研究人員使用各種表征工具來闡明Li?傳導(dǎo)途徑。固態(tài)Li核磁共振(NMR)是利用同位素交換研究CSE內(nèi)局部結(jié)構(gòu)環(huán)境和Li?動(dòng)態(tài)過程的最有力工具之一(圖2d)。

圖2. (a)對(duì)稱?Li電池和可能的Li?傳導(dǎo)路徑的示意圖；(b)LLZO/PEO(LiClO?)電解質(zhì)在循環(huán)前后的?Li光譜的比較；(c)循環(huán)前后LLZO/PEO(LiClO?)的LiClO?、界面和LLZO中?Li含量的定量分析；(d)CSE內(nèi)Li?通路示意圖。

IICSEs的制備方法

2.1 機(jī)械混合

機(jī)械混合由于其方便和低成本，是制備CSE最普遍的方法之一。在該策略中，通過球磨、超聲處理或攪拌將PEO、Li鹽或其預(yù)溶解溶液與陶瓷填料混合，制成分散良好的懸浮液，然后進(jìn)行漿料澆鑄和干燥。

2.2 模板法

模板策略是制備具有連續(xù)陶瓷骨架的CSE的有效方法，包括兩個(gè)主要步驟：

1)在模板的輔助下形成多孔陶瓷骨架，2)滲透PEO-Li鹽溶液，如圖所示3a以絲綢織物為模板。常用的模板包括絲綢、棉花、木材、紡織纖維素、聚苯乙烯微球、抹布等。用陶瓷前體填充模板，然后高溫煅燒以去除模板，最終形成陶瓷框架。隨后，將預(yù)制備的PEO-Li鹽溶液浸漬到多孔陶瓷框架中，通過在真空中干燥以去除溶劑來獲得CSE。通過模板策略成功制備陶瓷結(jié)構(gòu)CSE有幾個(gè)特點(diǎn)。

首先，模板的連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)是形成3D連續(xù)無機(jī)陶瓷骨架所必需的，預(yù)計(jì)這將比CSE中的孤立陶瓷相提供更好的離子傳導(dǎo)途徑。其次，模板的孔徑對(duì)離子導(dǎo)電性也很重要。通過模板的結(jié)構(gòu)不同，可以有效調(diào)控陶瓷的多孔結(jié)構(gòu)，從而影響其性能。第三，與聚合物中的陶瓷填料的CSE相比，3D陶瓷基CSE表現(xiàn)出更高的滲濾閾值(圖3)。目前，大多數(shù)模板都是天然獲得的，雖然其具有成本效益，但是模板結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)受到限制。因此，有必要設(shè)計(jì)和合成相對(duì)精確定制的模板。例如，3D打印模板可以精確控制陶瓷與聚合物的比例和微體系結(jié)構(gòu)(圖4)，這也將是提升性能的有效途徑之一。

圖3. 通過模板法制備CSE的示意圖；(b)石榴石框架的SEM圖像；(c)石榴石/PEO CSE的Arrhenius圖；(d)CSE的拉伸試驗(yàn)；(e)具有石榴石木材的鋰對(duì)稱電池的示意圖，顯示了低曲折度和快速的鋰傳導(dǎo)途徑；(f)原始木材和壓縮木材的SEM圖像；(h)PLLF電解質(zhì)內(nèi)部可能的Li?傳導(dǎo)途徑的示意圖；(i)PLLF電解質(zhì)在不同溫度下的離子電導(dǎo)率作為LLTO骨架含量的函數(shù)；(j)電解質(zhì)中無機(jī)成分的體積比與室溫下離子電導(dǎo)率之間的關(guān)系。



圖4. 3D打印模板、結(jié)構(gòu)化LAGP支架和結(jié)構(gòu)化LAGP環(huán)氧電解質(zhì)的SEM圖像，這些電解質(zhì)具有立方體、旋體、金剛石和bijel衍生(從左到右)的微體系結(jié)構(gòu)。

2.3 靜電紡絲法

靜電紡絲制備PEO基陶瓷填料的CSE，過程包括使用聚合物溶液(例如，PAN和PI)靜電紡絲形成自支撐多孔基底，然后將PEO-Li鹽澆鑄到上述纖維膜上/中，其中陶瓷填料的引入可以通過在電紡溶液(例如PVDF)或PEO-Li鹽溶液中加入來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于聚合物在陶瓷結(jié)構(gòu)中，制備過程類似于以電紡聚合物(例如PVP和PVA)作為模板的模板策略，通過煅燒形成獨(dú)立的多孔陶瓷框架，然后滲透PEO-Li鹽溶液(圖5)。



圖5. (a)具有LLZO/h聚合物納米纖維的CSE的示意圖；(b)3D離子傳導(dǎo)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的SEM圖像；(c)具有聚合物納米纖維的CSE和具有不同LLZO含量的LLZO聚合物納米纖維CSE的Arrhenius曲線；(d)紡絲態(tài)UFF的橫截面SEM圖像；(e)雙層UFF/PEO/PAN/LiTFSI CSE的截面SEM圖像；(f)UFF/PEO/PAN/LiTFSI CSE的截面SEM放大圖像；(g)UFF/PEO/PAN/LiTFSI電解質(zhì)的電化學(xué)窗口，插圖是氧化過程開始的放大圖像，OCV，開路電壓；Aurbach在使用不同電解質(zhì)的Li-Cu半電池中提出的Li金屬的(h)CE測量(稱為Aurbach CE測量)；(i)在UFF/PEO/PAN/LiTFSI和PEO/PAN[LiTFSI電解質(zhì)的PEO側(cè)上的納米壓痕測試。

2.4 凝膠法

根據(jù)凝膠化過程，凝膠法分為陶瓷凝膠和聚合物凝膠，分別獲得陶瓷中的聚合物和聚合物中的陶瓷結(jié)構(gòu)。對(duì)于陶瓷凝膠衍生的電解質(zhì)，首先制備陶瓷前驅(qū)體的水凝膠，然后煅燒以形成獨(dú)立的多孔陶瓷框架，最后進(jìn)行PEO-Li鹽溶液滲透。聚合物凝膠基電解質(zhì)可以在陶瓷填料存在下通過單體的一鍋聚合制備。

在陶瓷凝膠法中，陶瓷前體鹽、交聯(lián)劑和粘合劑的濃度對(duì)陶瓷凝膠的形態(tài)以及離子電導(dǎo)率有影響。此外，陶瓷的形態(tài)也受到熱處理溫度的影響(圖6)。聚合物凝膠基CSE本質(zhì)上是準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，通常通過在光/熱引發(fā)劑(如二苯甲酮)的存在下固化PEO單體、Li鹽和陶瓷填料來制備，如圖所示7a用紫外線照射聚合。首先，由于交聯(lián)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，CSE即使在相對(duì)較高的溫度下也具有良好的熱穩(wěn)定性。其次，在CSE中使用陶瓷填料可提高機(jī)械性能與電導(dǎo)率。此外，陶瓷導(dǎo)體的類型對(duì)凝膠電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性和電化學(xué)性能有著一定的影響(圖7)。

圖6. 具有不同LLTO量的(a)，(b)1 mmol和(c)，(d)3 mmol的LLTO框架的SEM圖像；LLTO框架在800℃下用不同量的PVA熱處理后的表面形態(tài)：(e)0.75 g、(f)1.5 g和(g)3.0 g；(h)不同PVA量的LLTO CSE的電導(dǎo)率從0 g(純PEO)到4 g；在(i)700℃、(j)800℃和(k)900℃下熱處理2 h的3D石榴石框架的SEM圖像，插圖顯示了3D石榴石骨架的高倍SEM圖像;(l)在700℃、800℃和900℃下熱處理石榴石框架的3D CSE的電導(dǎo)率。



圖7. (a)通過紫外線照射制備CSE膜的示意圖；(b)在熱應(yīng)力下進(jìn)行阻抗測試后，非交聯(lián)和交聯(lián)CSE之間的機(jī)械完整性差異；(c)PEO-Bp和PEO-Bp-LATP膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；聚合物凝膠CSEs的(d)阻抗譜和(e)線性掃描伏安法(LSV)曲線。

2.5 其他方法

除了上述策略外，還有其它有用且有趣的策略用于制備PEO/陶瓷CSE。例如，通過使用成孔劑，例如，SeS?和石墨分別作為造孔劑來制備3D多孔Li?PS?Cl和Li1.3Al0.3Ti1.7(PO?)3陶瓷骨架。此外，高溫快速反應(yīng)燒結(jié)可以促進(jìn)晶粒的表面擴(kuò)散，促進(jìn)頸部生長并限制粗化，準(zhǔn)確控制致密化和所需的多孔結(jié)構(gòu)。通過在Li負(fù)極上與陶瓷填料原位聚合制備了超薄CSE膜。同樣，其他聚合物也可以在填料存在下原位聚合，如1,3-二氧戊環(huán)的開環(huán)反應(yīng)、碳酸亞乙酯(EC)的聚合、PEGMEA聚合等。

III界面工程

3.1 陶瓷表面修飾

通過陶瓷填料表面修飾是改善其在PEO相中的界面相容性的一種有效策略。表面修飾涂層包括聚乙二醇(PEG)、聚多巴胺(PDA)和離子液體、聚丙烯酸鋰，它們可以通過靜電吸附或化學(xué)鍵合與陶瓷作用。理想的修飾層需要滿足：首先，涂層應(yīng)具有與PEO相似的表面能，以增加陶瓷和聚合物之間的界面親和力與兼容性，從而促進(jìn)填料的高分散以及Li?在陶瓷/聚合物界面的傳輸。其次，修飾層厚度要合適，過量的修飾層如PEG或離子液體會(huì)降低CSE的機(jī)械性能。最后，對(duì)于一些具有高電子導(dǎo)電性的陶瓷填料(如MXene)，修飾層除了有助于分散，同時(shí)也可能降低陶瓷填料的電子導(dǎo)電性，減少由于CSE高電子電導(dǎo)率導(dǎo)致枝晶形成的可能(圖8)。



圖8. (a)多巴胺在LLZTO顆粒表面聚合形成聚多巴胺涂層的示意圖，以及PEO溶液和原始LLZTO或LLZTO@PDA；(b)PEO/LLZTO@PDA和PEO/LLZTO CSE的Arrhenius圖；(c)具有不同PEG含量的電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性；(d)MB-LLZTO CSE和LLZTO CSE中Li?擴(kuò)散路徑圖。LLZTO和MB-LLZTO材料的?Li NMR；(f)LLZTO和MB-LLZTO CSE的?Li直接極化NMR光譜和分配結(jié)果，藍(lán)色區(qū)域表示PEO中的Li，橙色區(qū)域表示界面Li，灰色和綠色區(qū)域?qū)?yīng)于(e)中的LLZTO晶格；(g)具有不同涂層的電解質(zhì)的DSC圖；h離子液體接枝氧化物納米顆粒的示意圖(IL@NPs)；(i)不同填料IL@NP CSE在不同溫度下的離子電導(dǎo)率。

3.2 界面化學(xué)鍵合

除了上述陶瓷填料表面修飾外，從理論上講，構(gòu)筑界面化學(xué)鍵不僅可以確保陶瓷在CSEs中的均勻分散，以提高離子導(dǎo)電性，還可以通過使用陶瓷作為交聯(lián)劑來提高CSEs的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷填料和聚合物基體的界面化學(xué)鍵構(gòu)筑通常采用原位化學(xué)接枝方法，包括原位水解、開環(huán)反應(yīng)、硅烷偶聯(lián)和氣相滲透(VPI)化學(xué)摻入，用于形成互穿結(jié)構(gòu)的聚合物與陶瓷網(wǎng)絡(luò)，提供致密均勻的界面Li?傳輸通道。通過陶瓷前體的原位水解形成的陶瓷顆?？删鶆蚍稚⒃贑SE中，進(jìn)一步降低了PEO的結(jié)晶度。此外，化學(xué)鍵合的PEO/陶瓷界面確保了快速的Li?傳導(dǎo)通道，并減少了電極/電解質(zhì)界面上的Li?電荷積累，從而改善金屬鋰負(fù)極處的Li?沉積。同時(shí)，由于形成了互連的網(wǎng)絡(luò)，CSE的機(jī)械強(qiáng)度大大提高，也有助于抑制鋰枝晶生長(圖9)。

圖9. (a)CSE中各成分的協(xié)同效應(yīng)示意圖；(b)每種電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和溫度之間的關(guān)系；(c)電解質(zhì)的DSC曲線；(d)鋰對(duì)稱電池的恒電流循環(huán)；(e)每種電解質(zhì)在室溫下的LSV曲線；(f)PEGDA/BNN和BNP的結(jié)構(gòu)示意圖；(g)不同聚合物電解質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(h)鋰對(duì)稱電池的長循環(huán)性能。

3.3 CSEs與正負(fù)極界面優(yōu)化

構(gòu)建高性能的CSEs不僅需要考慮其內(nèi)部聚合物與陶瓷相的兼容，更為挑戰(zhàn)的是CSEs與正負(fù)電極界面的相容性。在電池運(yùn)行期間，過大的界面阻抗會(huì)導(dǎo)致Li?傳輸速率慢和電流分布不均勻。此外，活性材料的體積變化和電解質(zhì)/電極不相容引起的副反應(yīng)也會(huì)嚴(yán)重限制其性能。改變CSE的結(jié)構(gòu)、引入額外的表面修飾層和抗氧化聚合物(如PAN)可以顯著降低界面阻抗、擴(kuò)大CSE的電化學(xué)窗口，從而改善電化學(xué)性能(圖10)。



圖10. (a)PEO/PEO-LLTO/PEO CSE的示意圖；(b)PEO-LiTFSI-LLTO//LiFePO?和(c)PEO-LiTFSI-LTO-O//LiFePO?界面的截面SEM圖像；(d)鋰金屬負(fù)極和電解質(zhì)與ABL之間的界面接觸示意圖；全電池的電導(dǎo)率的阿倫尼斯圖：(e)Li//ABL/電解質(zhì)//LiFePO?和(f)Li//電解質(zhì)//LiFePO?在150次循環(huán)前和后；(g)雙層UFF/PEO/PAN/LiTFSI的結(jié)構(gòu)表征；(h)具有PAN的CSE的LSV；(i)具有不同LLZTO含量(不含PAN)CSE的LSV圖譜。

IVPEO/ceramic CSEs的應(yīng)用

4.1 固態(tài)鋰金屬電池

目前，使用的耦合正極材料有LiFePO?(LFP，4 V)、LiCoO?(LCO，~4.3 V)和LiNixMnyCozO?(NMC，~4.3 V)。其中，LFP由于較低的電勢(4 V)而與PEO/陶瓷CSE廣泛匹配。然而，由于PEO(~3.9 V)的電化學(xué)窗口較窄，在高壓電池應(yīng)用中潛力受限。此外，CSE的厚度、鋰金屬負(fù)極的質(zhì)量、正極的面容量、負(fù)/正容量比(N/P)等對(duì)高能量密度固態(tài)鋰金屬電池的實(shí)現(xiàn)也是至關(guān)重要的。目前絕大多數(shù)具有PEO/陶瓷CSE的固態(tài)鋰金屬電池面積容量小于1.1 mAh cm?2，并且僅在高溫下可以長期循環(huán)(圖11)。因此，高能量密度固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)與CSE、正極和鋰負(fù)極等密切相關(guān)，而且要適用于實(shí)際應(yīng)用的軟包電池(圖12)。



圖11. 鋰金屬電池在不同電流密度和溫度下的(a-b)面容量和(c-d)長循環(huán)的比較。



圖12. (a)通過在切割和燃燒下點(diǎn)亮LED對(duì)LCO//Li軟包電池進(jìn)行的測試；(b)LFP//Li軟包電池不同狀態(tài)下的循環(huán)性能，插圖是袋狀電池卷曲和折疊前后的電壓變化圖像；(c)柔性LFP//Li袋電池在不同狀態(tài)下的光學(xué)照片，點(diǎn)亮串聯(lián)的LED；(d)LFP//Li軟包電池在極端條件下的安全性評(píng)估。

4.2 固態(tài)鋰硫電池

近年來，PEO/陶瓷CSEs因其高安全性和解決硫正極和鋰負(fù)極問題的能力而被廣泛應(yīng)用于鋰硫電池(圖13)。為了實(shí)現(xiàn)高能量密度固態(tài)鋰硫電池，應(yīng)考慮與經(jīng)典鋰金屬電池類似的一些挑戰(zhàn)，如過剩的鋰金屬負(fù)極、低面容量的硫正極、高N/P比、高循環(huán)溫度(圖14)。目前，大多數(shù)固態(tài)鋰硫電池沒有提供N/P比，這可能是使用了過量的鋰負(fù)極(商用鋰片約400-500 μm)。此外，絕大多數(shù)硫正極顯示出較低的硫負(fù)載量(0.5-3 mg cm?2)和電池面容量(2.0 mAh cm?2)，并且電池只能在較高的溫度(36℃)下運(yùn)行。更重要的是，嚴(yán)重缺乏具有PEO/陶瓷CSE的軟包電池。

圖13. (a)是抑制可溶性Li?Sn擴(kuò)散的示意圖。充電后，循環(huán)前后，(b)Li負(fù)極和PEO以及(c)PEO/TiO?電解質(zhì)的拉曼光譜；(d)基于MB-LLZTO CSE的鋰硫電池在45℃下的放電容量和庫侖效率；(e)基于MB-LLZTO CSE的LFP-Li電池在45℃下的放電容量和庫侖效率。

圖14. (a)基于LLZO納米結(jié)構(gòu)的SSLSB的示意圖；(b)S@LLZO@C正極電池的循環(huán)性能和庫侖效率；(c)典型的S@LLZO@C和S@C正極充電/放電曲線；(d)在所有固態(tài)電池中，S-CNT//7822-peo-LiTFSI-9505//Li的循環(huán)性能；(e)在第100次循環(huán)之前和之后，使用80或20 mg復(fù)合電解質(zhì)的電池的奈奎斯特圖；(f)使用20 mg 7822-peo-LiTFSI-9505作為電解質(zhì)層的電池在第2次、第50次和第100次循環(huán)時(shí)的充放電電壓分布。

V 總結(jié)和展望

PEO/陶瓷CSEs是一種很有前景的液體有機(jī)電解液替代品，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究中受到廣泛關(guān)注。在這篇綜述中，強(qiáng)調(diào)了PEO/陶瓷CSE的制備策略、控制界面相容性和提高固態(tài)電池性能。得益于各種制備方法，PEO/陶瓷CSE可以調(diào)控離子電導(dǎo)率和機(jī)械性能。此外，研究人員已經(jīng)做出了很多努力來提高界面相容性，例如陶瓷顆粒的表面修飾、構(gòu)建化學(xué)鍵和CSE/電極的界面優(yōu)化。關(guān)于全電池的應(yīng)用，我們總結(jié)了含有過渡金屬氧化物和硫正極的固態(tài)鋰金屬電池。為實(shí)現(xiàn)高能量密度和安全性的固態(tài)鋰金屬電池提出了未來的研究方向(圖15)。

對(duì)于PEO/陶瓷CSE：(a)深入研究Li?傳導(dǎo)機(jī)制或行為；(b)在低溫下提高離子電導(dǎo)率并降低電子電導(dǎo)率；(c)優(yōu)化界面接觸；(d)降低CSE的厚度，縮短離子傳導(dǎo)距離，同時(shí)確保機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。 從固態(tài)鋰金屬電池的角度來看：(a)將鋰金屬負(fù)極的厚度降低到20 μm(5 mAh cm?2)可以大大降低N/P比，提高鋰的利用率以實(shí)現(xiàn)高能量密度；(b)增加正極中活性材料的質(zhì)量負(fù)載以實(shí)現(xiàn)接近甚至超過當(dāng)前商用鋰離子電池(4 mAh cm?2)的面容量，降低N/P比和增加面容量對(duì)于實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰金屬電池的能量密度是重要的；(c)組裝軟包電池，評(píng)估其商業(yè)化。

未來的工作可以集中在多功能CSE的設(shè)計(jì)上，以匹配超薄鋰金屬負(fù)極和高負(fù)載正極，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度得固態(tài)鋰金屬電池(500 Wh kg?1)。此外，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、提高能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的。然而，當(dāng)電池被放大為軟包電池時(shí)，上述問題將進(jìn)一步放大，這意味著電池的循環(huán)壽命將進(jìn)一步縮短。因此，有必要在實(shí)驗(yàn)室水平之外對(duì)CSE與電極的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進(jìn)行精確控制。

圖15. 實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的固態(tài)鋰金屬電池的重大挑戰(zhàn)和策略示意圖。

審核編輯：劉清