固态电池： 蓬勃发展的前沿技术

固态电池（SSB）是当前电化学储能领域的热门研究课题。许多人认为，固态电池是锂离子电池的接班人，尤其是在电动汽车领域。该技术有可能在多个方面从头到尾的改变能源存储。固态电池拥有高能量密度、更长的使用寿命和快速充电能力，而且比传统的锂离子电池更安全。

固态电池在本质上不同于锂离子电池。从实验室到产线，其制造方法和测试条件都有待标准化。值得注意的是许多国家都已制定了目标，要在 2030 年之前实现该技术的商业化。这篇文章讨论了固态电池与锂离子电池的一般区别、固态电池商业化生产仍需克服的挑战，以及使用电化学阻抗谱（EIS）测试不同电池参数的方法。

为什么固态会成为电池的未来？

锂离子电池通常由两个插入电极（阳极和阴极）和中间的液态电解质组成。这种液态电解质是一种离子导电介质，可使锂离子在阳极和阴极之间穿梭，并在阳极和阴极之间插层，从而实现能量存储（充电）或耗散（放电）。阳极和阴极之间由一层非导电膜隔开。这一措施可防止电极之间直接接触，避免短路。

另一方面，固态电池中的电解质是固体，是阳极和阴极之间的隔板。这意味着阳极和阴极材料须与固态电解质接触，以增进锂离子的扩散。电解质性质的这种差异带来了许多性能和安全方面的改变。

固态电池相比锂离子电池有哪些优势？

我们将从以下四个方面讨论：安全性、能量密度、电压和充电率。

虽然这些优势看起来很好，但仍有一些挑战需要克服，下面我们将详细讨论其中的一些挑战。

挑战 1：缺乏标准测试和组装协议

由于固态电池仍处于学术阶段，因此几乎没有任何标准化的设备或程序可用于组装和测试。

很常见的做法仍然是自制装置，将各组分（阳极复合材料、固体电解质、阴极复合材料）依次分层并压缩成颗粒/圆柱体。尽管这种形式尚存疑虑，但它仍然简单明了。

市场上开始出现用于制造和测试这些电池的现成装置，这将使实验室之间的结果具有更高的可重复性和可比性。

挑战 2：制造

在固态电池组装过程中，须在不同的固体材料（固体电解质、电极以及可能的碳添加剂 [3]）之间保持良好的接触。良好的混合和包装至关重要。适合的混合方法有很多，从手工研磨到球磨等。

混合后，压力是极其关键，特别是制造压力（100-1000 兆帕）。分离层（纯固体电解质）通常先通过施加约 100 兆帕的压力形成固体基底。然后，以类似方式加入电极复合材料。

电极和固体电解质通常比较脆，很容易断裂，并形成多孔和不活跃的表面。因此，压力至关重要，尤其是在加压和释放过程中的最大压力和压力曲线。

挑战 3：压力控制

制造完成后，压力仍将在循环过程中发挥关键作用。大多数正极材料（如钴酸锂）在嵌锂（充电）和脱锂（放电）时会膨胀和收缩，导致分层或开裂。这两种情况都会产生死面，增加电池的内阻。

压力过小则不足以保持足够的接触，压力过大则会导致过电位上升或短路。要使固态电池茁壮成长，确切的压力大小仍是一个未解决问题，这取决于多方面因素，如化学材料和电池设计等。

挑战 4：满足需求的测试条件

在实验室层面，当测试新材料或新配置（超出常规循环）时，电化学阻抗谱（EIS）是非常能提供电池状态信息的技术之一。利用 EIS，可以分离和研究每个组件（如电极材料、电解液）内部或界面上的各种现象。

查看我们的一些相关应用报告，了解有关 EIS 及其在电池中的应用的更多信息。

电化学阻抗谱(EIS) 第 一 部分 – 基本原理 | Metrohm

电化学阻抗谱 第二部分 — 实验装置 | Metrohm

EIS 可用于了解电池的动态物理特性，如电导率、电子转移、电容等[5]。这些参数可在电池运行过程中进行测量，并通过分析提供有关其健康状况（SoH）或充电状态（SoC）的信息。

固态电池的一个特点是，只有在非常高的EIS频率（1MHz～5 MHz）下才能观察到固体电解质的性质，这给测量带来了挑战，因为只有少数电化学工作站可以做到（如VIONIC 威欧电化学工作站），而固态电池的主体特性通常需要在1 MHz 至 10 MHz 范围内进行测量。

EIS 成功应用于破译固体电解质中来自晶粒间和晶粒本身边界的压力效应。这使得 EIS 成为研究孔隙率增加的理想工具 — 裂纹会影响块状材料及其界面。例如，EIS 可监测循环或运行期间的正压效应，并将其归因于晶粒间电导率的增加，而晶粒的体积电导率保持不变。这意味着固态电池可以在运行期间从施加/控制的压力中获益，从而为未来电池和电池组的设计提供指导。

 Vadhva 等人[6]的研究实例显示了 EIS 对固态电池的强大作用。他们利用 EIS 研究温度、成分和装配压力对固态电池的影响。这可用于电池管理系统，以评估单个电池的 SoH 和 SoC。

10 MHz 高频率 EIS测量挑战

在如此高的频率下测量 EIS 不仅需要高性能的仪器，还需要正确的设置以确保数据质量。关于如何确保高质量结果，可阅读下面的应用报告。

在低阻抗系统上使用四线检测进行 EIS 测量的重要性 | Metrohm

这也是使固态电池的组装和测试方法标准化的另一个原因，以确保对结果给出合理解释。

展望与结论

固态电池前景光明。它们将为许多应用提供更安全、充电更快、体积效率更高的储能解决方案。

随着人们对固态电池研究兴趣的不断提高，当务之急是规范固态电池的制造和测试，尤其是装配和使用（或测试）过程中的压力。

在可供研究人员使用的工具中，高频 EIS 可帮助在新材料开发的早期阶段监测各种效应。这种做法能提高不同实验室结果的可重复性。这将有望加快工业界将研究突破转化为实用电池的速度，从而在 2030 年之前将这些电池推向市场。

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推荐仪器型号：

VIONIC 威欧电化学工作站

参考资料

[1] The Roadmap. Battery 2030+. https://battery2030.eu/research/roadmap/ (accessed 2023-10-09).

[2] Janek, J.; Zeier, W. G. Challenges in Speeding up Solid-State Battery Development. Nat. Energy 2023, 8 (3), 230–240. DOI:10.1038/s41560-023-01208-9

[3] Bielefeld, A.; Weber, D. A.; Janek, J. Modeling Effective Ionic Conductivity and Binder Influence in Composite Cathodes for All-Solid-State Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12 (11), 12821–12833. DOI:10.1021/acsami.9b22788

[4] Lewis, J. A.; Tippens, J.; Cortes, F. J. Q.; et al. Chemo-Mechanical Challenges in Solid-State Batteries. Trends Chem. 2019, 1–14. DOI:10.1016/j.trechm.2019.06.013

[5] Wang, S.; Zhang, J.; Gharbi, O.; et al. Electrochemical Impedance Spectroscopy. Nat. Rev. Methods Primer 2021, 1 (1), 41. DOI:10.1038/s43586-021-00039-w

[6] Vadhva, P.; Hu, J.; Johnson, M. J.; et al. Electrochemical Impedance Spectroscopy for All-Solid-State Batteries: Theory, Methods and Future Outlook. ChemElectroChem 2021, 8 (11), 1930–1947. DOI:10.1002/celc.202100108

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