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科研进展丨孙学良院士、王长虹团队发表《Joule》论文：低温全固态电池的材料与化学设计
科研聚焦 | 2024-03-05
随着固态电解质材料以及正极/电解质固-固界面方面的显著进步，全固态电池（ASSBs）在温和温度（20~30℃）和高温（40~70℃）范围内已经展现出了卓越的电化学性能，例如快速充放电、高面容量和长周期循环稳定性。然而，当暴露在低温环境中，例如深海、外太空以及南北半球的高纬度地区时，ASSBs的电化学性能显著下降，限制了其在寒冷条件下的实际应用，且低温ASSBs性能下降的潜在机制尚不清楚。 
宁波东方理工大学（暂名）的孙学良院士、王长虹助理教授与中国科学院物理研究所吴凡研究员合作，在国际知名期刊《Joule》上发表题为“低温全固态电池的材料与化学设计（Materials and chemistry design for low-temperature all-solid-state batteries）”的综述文章。该文章考察了ASSBs的微观动力学过程，概述了低温ASSBs在固态电解质、界面和电极方面面临的关键挑战以及低温运行的具体要求。基于这些见解，文章回顾了一系列面向高性能低温ASSBs的材料和化学设计策略，提出了未来改善低温ASSBs性能的潜在研究方向，旨在提供关于低温ASSBs的深入理解，以改善其低温性能。
图1.全球平均冬季最低温度及不同应用场景下的温度极限要求
图2.全固态电池中的动力学过程
图3.低温全固态电池的关键挑战和有效策略总结
该文从动力学过程、关键挑战、基本要求和有效的材料与化学设计策略等方面，系统综述了低温全固态电池的研究进展，提出了几个潜在的研究方向： 1）建立低温性能评价标准（关键指标：如面容量≥4 mAh cm-2，电流密度≥0.8 mA cm-2，-20°C下容量保持率≥80%或-40~-60°C范围容量保持率≥50%），以确定有效工作温度； 2）开发准确和合理的阻抗分析方法，对来自正极/SE和负极/SE界面以及来自界面相和电荷转移过程的界面响应进行解耦，并量化每个动力学过程的活化能； 3）改善低温性能的前提条件是开发具有高离子电导率和低活化能的SEs； 4）揭示实际的微观界面动力学过程，以及低温下的界面相演变； 5）探究低温下的机械-化学失效行为，开发解决/缓解界面接触问题的策略； 6）探究锂存储机制和动力学与电极低温性能之间的关系，设计具有高扩散系数的电极； 7）研究基于厚电极和大容量（如软包电池）ASSBs的低温性能，以促进实际应用； 8）研究使用充放电协议和热管理策略进一步提高ASSBs低温性能的必要性。 综上，通过持续努力克服上述挑战，对推动ASSBs在寒冷环境中的应用至关重要。 宁波东方理工大学（暂名）博士后卢普顺是本论文的第一作者，王长虹助理教授、吴凡研究员和孙学良院士为本论文的共同通讯作者。本论文得到了宁波市东方理工高等研究院、宁波东方理工大学（暂名）的经费支持。
论文链接：
Pushun Lu, Zhimin Zhou, Zuxiang Xiao, Jiaze Lu, Jiaxu Zhang, Guantai Hu, Wenlin Yan, Shengjie Xia, Shutao Zhang, Ziqing Wang, Hong Li, Changhong Wang*, Fan Wu*, Xueliang Sun*, Joule 8, 1–23, 2024, https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.027
