最新Joule综述: 固态电池合金负极！

固态电池（SSB），即锂离子电池中的易燃液体电解质被固体电解质（SSE）取代，具有比常规锂离子电池更高能量密度和安全性的潜力。然而，SSB通常需要使用具有高容量和长期稳定性的电极材料。合金负极为高性能SSB提供了独特的力学优势，且可使其能量密度与其他高性能替代品相媲美。

在此，美国佐治亚理工学院Matthew T.McDowell等人总结了在SSB中使用合金负极的可能优势和挑战。首先，作者探讨了基于合金负极的SSB的预测能量密度/比能量。基于合金负极的SSBs超过了传统锂离子电池的能量密度/比能量，且接近锂金属电池的能量密度。然后，作者讨论了在固态环境中使用合金与其在液体中的使用相比及与其他SSB负极材料相比的预期力学优势。在没有复杂活性材料结构的情况下，在固态环境中更容易实现合金负极的稳定长期循环。

与锂金属负极相比，使用“主体”材料（如合金或石墨）来包含锂可避开SSB中枝晶生长和界面接触损失的问题。根据电池设计的不同，施加在SSB上的堆栈压力有助于控制合金材料在反应过程中的形态变化。此外，利用刚性电池设计在体积膨胀过程中在负极内部产生压缩应力，这可能会提高材料的耐久性。

图1. 在SSB中使用合金负极的力学优势和挑战

接下来，作者讨论了在SSB中使用合金负极的研究问题和挑战。与在SSB中使用合金负极相关的一个普遍科学问题是，是否可在复合或纯电极中控制每个循环中发生的体积和结构变化，以保持固-固电化学界面的连接性。

因此，需要研究合金负极与各种SSE材料的动态化学和机械相互作用。另一个重要方面是施加的堆栈压力对材料和界面演变的作用，即堆栈压力大小如何影响界面处的局部应力、界面连通性和合金材料循环变形需要进一步研究。此外，SSB电极设计的一个关键方面是电极内需要支撑足够离子/电子传输的路径，从而实现快速充放电。

图2. 电解质厚度和合金负极体积分数对电池能量的影响

总之，基于合金负极的SSB非常具有吸引力，因为其具有比石墨负极更好的抗短路性、长期稳定性及更好的能量指标。然而，为了实现这一应用，需要开展基础和应用工作来促进对SSB中合金材料演变的理解和控制。鉴于对改进的储能解决方案的巨大需求及可能受益于不同电池化学成分的各种应用和案例，开发基于合金负极的SSB似乎是当务之急。

The promise of alloy anodes for solid-state batteries, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.05.016