【康沃真空網】固態電池是一種電池科技。與現今普遍使用的鋰離子電池和鋰離子聚合物電池不同的是，固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池。由于科學界認為鋰離子電池已經到達極限，固態電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池。固態鋰電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。
固態電池，即采用固態電解質的鋰離子電池，被稱為未來鋰電池的發展方向。
固態電池擁有不可取代的優勢，其一是固態電解質具有不易燃、無腐蝕、無揮發等特性，因此無論在性能還是安全性方面都優于液態電池；其二是能量密度更高，理論上固態電池的能量密度可以達到400~500Wh/kg，進而提升電動車輛的續航力；其三是用固態電解質取代正負極之間的隔膜電解液，使得電池更薄、體積更小，因此全固態電池技術也是電池小型化、薄膜化的必經之路。
成果簡介
目前市場上無機固體電解質的研究主要集中在兩大類：硫化物體系與氧化物體系，其中氧化物體系LLZTO、LATP等存在界面阻抗高、制備的電解質膜機械性能差、離子電導率低等短期無法有效解決的問題。
采用原位固化技術，能夠實現固體電極片與電解質膜在分子層面的緊密接觸，降低固/固界面阻抗，有效提升電池的倍率性能。
同時，參考最新的學術研究成果，目前氧化物電解質的離子電導率仍處于10-4S/cm 左右的較低水平，暫時達不到商業化（>10-2S/cm）要求，因此我們預計仍需要加入電解液來解決離子電導率。
由中國科學院物理研究所李泓（研究員）課題組聯合高能所東莞中子科學中心梁天驕博士，以及馬里蘭大學Howard Wang（共同通訊作者）等人借助自制的固定有原位探測臺的掃描電鏡，首次實現了對全固態電池體系鋰枝晶生長及電解質裂紋擴展微觀過程的原位觀察，證實了固態電池中鋰枝晶生長機制。進一步通過微加工手段巧妙構筑有序三維Ti電極固態鋰金屬電池，并采用原位中子深度譜（In-situ Neutron Depth Profile，NDP）技術定量研究了鋰在三維結構電極中的沉積行為，結果表明了固態電池體系中電極結構設計的重要性。
研究亮點
①自制的可裝載于掃描電鏡上的原位電池探測臺，可實現測試中鋰枝晶生長的原位定性的觀察，給出鋰枝晶在全固態電池中的生長機理的直接證據；
②通過電子束蒸鍍-離子刻蝕方法在石榴石電解質表面設計可形成微觀有序的三維電極結構；
③采用無損原位的、對鋰元素具有的高空間分辨、探測靈敏度中子深度譜對鋰沉積進行定量化研究。
圖片▲ 三維Ti電極構筑過程示意圖與微觀形貌及元素分布圖
（a）構筑具有三維結構Ti電極的關鍵程序步驟示意圖：對應過程分別為打磨拋光、電子束蒸鍍、離子刻蝕；
（b）原子力顯微鏡下拋光后的LLZTO電解質片表面粗糙情況；
（c）蒸鍍后Ti膜的橫截面圖；
（d）在離子束刻蝕后的圖案化有序Ti電極；
（e）構筑三維Ti電極的電解質片光學圖像；
（f）在單個刻蝕孔區域內的元素分布圖。
基于上述鋰枝晶可能的生長機制的提出，嘗試在界面構筑三維有序結構，調控金屬鋰的沉積行為，期望電極內部空間能夠提供金屬鋰沉積存儲空間，釋放了內應力，減緩體積膨脹甚至抑制枝晶的形成和生長。電極三維結構構筑借鑒了集成電路上的一些工藝，電子束蒸鍍Ti膜厚度為860nm（如圖3c），再經過模板刻蝕得到孔徑大小約為5微米具有規則結構的三維Ti電極（如圖3d）。
▲ 具備三維結構Ti薄膜電極與平整結構的Ti薄膜電極放電鋰沉積微觀形貌對比圖
（a）低面積比容量（孔的半可存儲容量，23μAh/cm2）和（b）高容量（孔的全部可存儲容量，45μAh/cm2）放電后的三維Ti電極表面微觀形貌；
（c）b的橫截面圖；
（d）在90μAh/cm2的較大容量下鋰溢出生長的形貌。
（e）平整結構Ti電極鋰電鍍低比面積容量（23μAh/cm2）放電后電極的微觀截面圖；
（f）三維結構Ti電極鋰電鍍低比面積容量（23μAh/cm2）放電后電極的微觀截面圖；
（g, h）平整Ti膜電極側電池短路的微觀截面圖。
原位觀察三維Ti電極全固態鋰金屬電池充放電過程的微觀形貌變化，比較了不同沉積容量下的鋰沉積狀態，發現高容量時鋰金屬會溢出Ti膜孔洞并朝不同方向沉積。同時為了對比，平整Ti膜電極全固態電池的鋰沉積也加入了觀察，顯示鋰沉積內應力無法有效釋放造成電極與電解質界面的分離增大界面阻抗，加速電性能池衰退，甚至在大容量沉積后枝晶刺穿Ti膜。
總結與展望
固態鋰金屬電池在應用上面臨固-固界面接觸問題的挑戰，尤其鋰金屬沉積及枝晶生長機制尚待進一步研究，對認識溶解-沉積行為以調控均勻沉積有著重要意義。
該工作借助原位觀察與探測手段，結合定性與定量實驗，證實了三維結構電極對鋰沉積的有效調控作用。在未來研究中，仍需開拓思路，通過設計構筑不同結構電極，研究電極電場分布等因素對沉積的影響，同時兼顧固態電解質與電極界面相容性，進一步優化篩選具有大面積易制備的電極結構制備工藝，對全固態鋰金屬電池產業化提供有意義的指導。
