天大罗加严/王澳轩AFM综述: 用于锂金属电池的垂直异质结构固体电解质

固态电解质（SSE）被认为是下一代安全和高能锂电池最具吸引力的候选者。然而，目前的SSE无法满足电池的性能要求。研究人员提出了固体电解质化学和技术的策略来克服挑战，同时扩大可能的应用范围。其中，垂直异质结构固态电解质（HSE）被认为是最有前途的策略，它可以利用各个SSE层并合理化电极的稳定性和兼容性。

在此，天津大学罗加严教授、王澳轩副研究员等人总结了HSE在这一新兴领域的研究进展，并概述了其在处理离子传输、固/固接触、电化学稳定性和锂枝晶等关键问题方面的应用，这些问题是任何单一SSE都难以完全解决的。HSE在空间上以合理的顺序堆积SSE，并在多个自由度上设计电解质的物理和（电）化学性质，从而通过协同效应使固态整体具有叠加功能以避免电池突然失效。

每个 SSE层都可以独立调节，并与以前的技术兼容以调整其属性。具有适当压力控制的HSE可通过提高锂金属稳定性和锂枝晶抑制能力及正极稳定性来延长电池寿命，这些因素包括均质调节的锂成核、机械化学效应、动力学稳定性、锂的膨胀螺旋效应及正极电压范围内的收缩诱导亚稳态。

图1. HSE的优势和挑战总结

最后，作者指出了HSE未来发展面临的挑战：

1）HSE基础电化学探索。一方面，在SSE/SSE界面上离子迁移仍缺乏明确的机制。此外，全面了解锂循环如何受SSE性质和表面化学的影响值得进一步研究；

2）基于HSE组装高性能固态电池。HSE受限于对能量密度产生负面影响的空间成本，需要对最小厚度进行关联以增强SSE性能并增加稳定性，同时抑制不良疲劳和SSE 失效；

3）HSE的多功能性。固体系统中缓慢的离子迁移率是决速步骤，需要改进表面热力学限制，HSE设计可能是实现高性能和安全固态电池的良好解决方案；

4）制造工艺和成本优化。目前大多数研究仅在实验室规模上实现目标，其验证和成本评估尚未在大规模制造上得到证明。因此，仍需努力研究未来的工艺设计和成本控制。

图2. HSE的功能应用与有机SPE和无机SSE之间的相关性

Vertically Heterostructured Solid Electrolytes for Lithium Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201465