Anod Untuk Bateri Litium Semua Keadaan Pepejal Berasaskan Sulfida - Bahagian 2 Anod Lain

Kemajuan terkini mengenai anod untuk bateri litium semua keadaan pepejal berasaskan sulfida

—— Bahagian 2 Anod Lain

Pengarang:

JIA Linan, DU Yibo, GUO Bangjun, ZHANG Xi

1. Pusat Pengajian Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Shanghai Jiao Tong, Shanghai 200241, China

2. Shanghai Yili New Energy Technology Co., LTD. , Shanghai 201306, China

Anod aloi litium

Disebabkan tindak balas sampingan antara muka yang teruk, litium tulen sukar digunakan secara langsung dalam elektrolit pepejal sulfida dalam jangka pendek, jadi bahan aloi litium memberikan pilihan yang lebih menarik. Berbanding dengan anod litium logam, anod aloi litium boleh meningkatkan kebolehbasahan antara muka, menghalang berlakunya tindak balas sampingan antara muka, meningkatkan kestabilan kimia dan mekanikal antara muka elektrolit pepejal, dan mengelakkan litar pintas yang disebabkan oleh pertumbuhan dendrit litium. Pada masa yang sama, berbanding dengan bateri litium-ion cecair, anod aloi boleh menunjukkan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi dan kestabilan yang lebih baik dalam bateri semua keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, elektrod negatif aloi akan mengalami perubahan volum dan struktur yang lebih besar semasa cas dan nyahcas (seperti aloi Li-Si, aloi Li-Sn, dll.), jadi kajian lanjut diperlukan tentang pembangunan dan penggunaan bahan aloi. Antara pelbagai aloi litium, aloi Li-In popular pada skala makmal kerana kemuluran mekanikal yang lebih baik dan potensi redoks yang berterusan (0.62 V vs Li+/Li) dalam julat stoikiometrik yang luas. Aloi Li-In secara amnya dianggap sebagai bahan yang stabil secara termodinamik dan kinetik untuk elektrolit sulfida. Ia digunakan secara meluas di makmal untuk menguji prestasi elektrolit atau bahan katod, sambil menunjukkan kestabilan kitaran yang baik di bawah keadaan arus rendah dan beban rendah. Walau bagaimanapun, potensi redoks dan berat molekul aloi Li-In adalah tinggi, yang sangat mengurangkan kelebihan ketumpatan tenaga bagi bateri litium-ion keadaan pepejal. Secara amnya, kajian percaya bahawa tiada pertumbuhan litium dendrit dalam aloi Li-In. Walau bagaimanapun, Luo et al. menjalankan ujian cas dan nyahcas pada bateri keadaan pepejal Li-In|LPSCl|LNO@NCM622 di bawah ketumpatan arus tinggi (3.8 mA·cm-2) dan beban tinggi (4 mA·h·cm{{23} }). Bateri didapati mempunyai litar pintas selepas lebih kurang 900 kitaran. Bateri mengekalkan kapasiti kitaran yang stabil dan hampir 100% kecekapan Coulombic semasa kitaran caj-nyahcas sehingga 890 kitaran, tetapi kapasiti mula menurun dengan cepat selepas 891 kitaran, jatuh kepada hampir 0 pada kitaran ke-897. Keluk voltan cas dan nyahcas yang berkaitan bagi bateri dari kitaran ke-891 hingga ke-897, di mana kapasiti pengecasan meningkat secara beransur-ansur, manakala kapasiti nyahcas yang sepadan berkurangan. Dalam kitaran ke-897, bateri terus dicas dan kapasiti terus meningkat, disertai dengan kadar peningkatan voltan yang lebih rendah, yang menunjukkan berlakunya litar pintas dalaman dan kegagalan bateri. Mekanisme pertumbuhan dendrit Li-In telah didedahkan melalui SEM, XPS dan pencirian lain serta simulasi AIMD. Menunjukkan bahawa dalam keadaan arus tinggi dan beban tinggi. Metallic In secara termodinamik dan kinetik tidak stabil kepada elektrolit sulfida. Perubahan volum dan tindak balas antara muka yang sedikit mendorong pertumbuhan dendrit Li-In, akhirnya membawa kepada kegagalan bateri semasa kitaran yang panjang. Berbeza daripada pertumbuhan menegak dendrit litium, mod pertumbuhan dendrit Li-In ialah pertumbuhan sisi di sepanjang liang dan sempadan butiran. Kadar pertumbuhan adalah perlahan dan ia menyebabkan sedikit kerosakan pada struktur elektrolit sulfida (Rajah 6). Oleh itu, pertumbuhan dendrit Li-In boleh dihalang dengan meningkatkan kestabilan elektrokimia elektrod logam/elektrolit pepejal dan mengurangkan keliangan elektrolit.

Rajah.6 Sebelum dan selepas evolusi antara muka berbasikal untuk sel Li-In|LPSCl|LNO@NCM622

Al mempunyai kelebihan kemuluran yang tinggi, rizab yang tinggi, dan kekonduksian elektronik yang tinggi. Ia mempunyai kapasiti khusus teori yang tinggi (990 mA·h·g-1) dan kadar pengembangan volum yang kecil (96%) antara bahan aloi litium. Ia adalah salah satu bahan anod bateri litium semua keadaan pepejal yang lebih menjanjikan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7(a), Pan et al. menyediakan elektrod negatif aloi Li-Al tanpa pengikat dan agen pengalir (Li0.8Al, kapasiti khusus 793 mA·h·g-1, 0.35 V lwn Li+/Li). Mempunyai keserasian yang baik dengan elektrolit LGPS. Ini adalah disebabkan oleh fakta bahawa potensi kerja anod aloi Li-Al yang disediakan berada dalam tetingkap kestabilan elektrokimia sebenar LGPS [Rajah 1b. 7(b)]. Mengelakkan elektrolit daripada berkurangan dan reput, bateri keadaan pepejal yang dipasang menunjukkan kebolehbalikan yang sangat baik, dengan kadar pengekalan kapasiti setinggi 93.29% dalam 200 kitaran. Di bawah keadaan nisbah N/P 1.25, ketumpatan tenaga bateri mencapai 541 W·h·kg-1, membuktikan bahawa aloi Li-Al mempunyai prospek aplikasi yang sangat baik.

Rajah 7 Skema anod aloi Li-Al dalam ASSLBs

Sakuma et al. mengkaji padanan aloi Li-Sn, aloi Li-Si dan elektrolit Li4-x Ge1-x P x S4, dan memerhatikan rintangan antara muka yang lebih kecil dan potensi redoks yang lebih tinggi. Hashimoto et al. menggunakan pengilangan bebola tenaga tinggi untuk menyediakan satu siri Li4.4Ge x Si1-x (x=0~1.0). Antaranya, Li4.4Ge0.67Si0.33 menunjukkan kapasiti khusus terbesar (190 mA·h·g-1) dan mempunyai kebolehbalikan cas dan nyahcas yang baik. Park et al. menggunakan pengilangan bebola mekanikal untuk mencampur dan mengisar serbuk litium dan serbuk silikon untuk menyediakan aloi Li4.4Si, elektrod positif Li4Ti5O12 dan elektrolit Li2S-P2S5 untuk memasang bateri litium keadaan pepejal semua. Kajian mendapati bahawa prestasi bateri telah meningkat dengan ketara selepas pengilangan bola sekunder aloi Li-Si, iaitu pengurangan saiz zarah aloi litium-Si adalah kondusif kepada pemendapan seragam dan pelucutan litium semasa proses cas dan pelepasan.

Filem aloi litium juga boleh digunakan sebagai cara untuk menstabilkan antara muka elektrod negatif. Choi et al. menggunakan kaedah penggelek yang mudah untuk menggabungkan Ag dengan ketebalan 10 μm dan Li dengan ketebalan 150 μm dan kemudian secara luaran menggunakan tekanan untuk mendapatkan filem aloi Li-Ag. Kandungan Ag yang tinggi dengan mudah membentuk antara muka yang stabil dengan elektrolit sulfida dan menghalang pertumbuhan dendrit litium. Di samping itu, baki jumlah kecil Ag yang tidak membentuk aloi Li-Ag mengambil bahagian dalam tindak balas larutan pepejal dengan Li, yang mengurangkan pertumbuhan litium yang tidak sekata. Bateri semua keadaan pepejal yang dipasang menunjukkan pengekalan kapasiti sebanyak 94.3% dalam 140 kitaran, dan juga boleh berkitar secara stabil pada kadar yang tinggi 12 C. Penyelidikan oleh Kato et al. mendapati bahawa memasukkan filem Au pada antara muka elektrolit Li/Li3PS4 boleh menghalang pembentukan lompang selepas pembubaran litium awal dan meningkatkan tapak pemendapan Li, yang membantu meningkatkan kebolehterbalikan bateri. Di samping itu, pembubaran filem Au ke dalam litium logam mungkin menjadi sebab untuk meningkatkan prestasi elektrokimia antara muka elektrod negatif. Sel Li-simetri dengan filem Au yang dimasukkan pada antara muka Li/Li3PS4 boleh beroperasi secara stabil pada ketumpatan arus tinggi (1.3 mA·cm-2) dan kapasiti kawasan besar (6.5 mA·h·cm-2 ) tanpa litar pintas. Bateri keadaan pepejal Li/Au/Li3PS4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 yang dipasang mempunyai hayat kitaran lebih daripada 200 kali pada ketumpatan arus tinggi 2.4 mA·cm-2.

Anod silikon

Si dianggap sebagai salah satu bahan anod yang paling menjanjikan kerana kapasiti khusus teori yang sangat tinggi (4200 mA·h·g-1), rizab yang tinggi, kos rendah, mesra alam, tidak toksik, dan potensi operasi yang rendah sebanyak 0.4 V. Penyelidikan mengenai penggunaan anod Si dalam bateri litium-ion cecair telah dibangunkan selama lebih daripada tiga puluh tahun dan masih sangat popular. Baru-baru ini, memandangkan bateri litium semua keadaan pepejal telah memasuki bidang penyelidikan tenaga, kerja telah bermula untuk menukar teknologi silikon yang dibangunkan dengan baik daripada sistem bateri litium-ion cecair kepada sistem bateri keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, berbanding dengan penyelidikan untuk membangunkan anod silikon berkapasiti tinggi untuk bateri litium-ion cecair, walaupun terdapat beberapa laporan mengenai penggunaan anod silikon berdasarkan bateri keadaan pepejal sulfida, keputusan yang ditunjukkan masih agak penting. Walau bagaimanapun, anod Si mempunyai kekonduksian elektronik yang rendah (1.56×10-3 S·m-1), pekali resapan ion litium rendah (10-14-10-13 cm2·S-1), dan besar pengembangan isipadu (Li4. 4Si adalah kira-kira 360%) dan kelemahan lain, yang mengehadkan skop penggunaannya. Sebab mengapa elektrod negatif Si gagal dalam bateri biasanya disebabkan oleh pengembangan volum Si yang besar semasa proses lithiation/delithiation, yang menyebabkan serbuk, keretakan dan tekanan yang besar, dan menghasilkan satu siri akibat yang merosakkan yang serius. Contohnya: (1) Kemerosotan integriti struktur elektrod akibat penghancuran berulang semasa nyahcas/cas. (2) Pemutus sambungan antara elektrod dan pengumpul arus yang disebabkan oleh tegasan antara muka. (3) Ion litium digunakan secara berterusan semasa proses pembentukan-pemusnahan-pembaharuan berterusan lapisan SEI.

Pada masa ini, kaedah yang biasa digunakan untuk mengoptimumkan anod silikon untuk bateri litium semua keadaan pepejal termasuk kawalan saiz (nano-silikon), reka bentuk struktur, anod filem nipis, pengaloian, aplikasi tekanan, anod komposit dengan pengikat/bahan konduktif termaju (seperti Si -C anod), dsb. Sakabe et al. menggunakan magnetron sputtering untuk menyediakan anod silikon amorf tidak berliang dan berliang, dan menggabungkannya dengan elektrolit 80Li2S·20P2S5 untuk menjalankan ujian keupayaan kitaran. Selepas 1{12}} kitaran, filem silikon amorfus tidak berliang setebal 3.00 µm hanya menunjukkan kira-kira 47% kapasiti berbanding kitaran ke-10. Filem silikon amorfus berliang 4.73 µm menunjukkan kapasiti litian setinggi 3000 mA·h·g-1. Selepas 100 kitaran, kadar pengekalan kapasiti berbanding kitaran ke-10 melebihi 93%. Ia menunjukkan bahawa struktur berliang boleh meningkatkan kestabilan kitaran bateri dengan berkesan. Okuno et al. menggunakan anod komposit silikon berliang pada bateri keadaan pepejal dengan elektrolit Li3PS4 dan menunjukkan kadar pengekalan kapasiti tinggi lebih daripada 90% dalam 100 kitaran. Ini kerana liang-liang dalam zarah silikon menyelesaikan perubahan volum yang besar semasa lithiation dan delithiation, meningkatkan kestabilan kitaran. Sebaliknya, kestabilan kitaran anod silikon tidak berliang komersial adalah lemah, dan kadar pengekalan kapasiti dalam 100 kitaran hanya 20% atau lebih rendah. Poetke et al. melaporkan bahawa bahan nano lompang komposit silikon-karbon digunakan sebagai elektrod negatif untuk bateri litium-ion keadaan pepejal dan berjaya digunakan pada bateri penuh Si-C|Li6PS5Cl|NCM. Komposit Si-C berstruktur nano yang digunakan dalam kajian memberikan jurang antara nanozarah silikon (SiNPs) dan cangkang karbon luar. Cangkang karbon boleh mengimbangi perubahan isipadu silikon dengan berkesan, meningkatkan prestasi elektrokimia berbanding dengan SiNP kosong.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, komuniti akademik telah berulang kali mencapai kejayaan dalam penyelidikan anod silikon tulen. Dalam 2020, Cangaz et al. melaporkan anod silikon kolumnar yang disediakan oleh proses PVD, dan digabungkan dengan elektrolit Li6PS5Cl dan LiNi0.9Co{{90}}.0Katod 5Mn0.05O2 untuk menyediakan bateri keadaan pepejal dengan kapasiti khusus yang tinggi (210 mA·h·g-1). Anod silikon kolumnar telah dikitar secara stabil selama lebih daripada 100 kali di bawah beban tinggi 3.5 mA·h·cm-2, dengan kecekapan Coulombik setinggi 99.7%~99.9%. Semasa kitaran, struktur silikon kolumnar mempamerkan kesan pernafasan satu dimensi yang serupa dengan anod litium dalam arah menegak. Pernafasan satu dimensi ini boleh dikompensasikan oleh keliangan intrinsik struktur silikon kolumnar dan tekanan tindanan luaran, membentuk SEI dua dimensi yang stabil. Pada masa yang sama, tekanan timbunan (20 MPa) juga menindas penembusan silikon kolumnar dan pengumpul semasa. Berbanding dengan anod litium logam, anod silikon kolumnar ini menghapuskan risiko dendrit litium, litar pintas dan kehilangan litium mati. Pada tahun 2021, Tan et al. melaporkan anod silikon tulen Si (μ-Si) komersial gred mikron komersial 99.9.9% (jisim). Kawasan sentuhan antara muka antara elektrod negatif dan elektrolit Li6PS5Cl ialah satah dua dimensi, walaupun jika pengembangan isipadu berlaku semasa cas dan nyahcas. Walau bagaimanapun, satah dua dimensi masih dikekalkan, dan tiada antara muka baharu terbentuk. Aloi Li-Si yang dibentuk oleh elektrod negatif μ-Si terlitar mempunyai sifat kimia dan mekanikal yang unik, yang meningkatkan kawasan sentuhan antara elektrod negatif dan elektrolit [Rajah 8(a)]. Bateri litium semua keadaan pepejal yang dipasang oleh μ-Si, elektrolit Li6PS5Cl dan NCM811 boleh beroperasi secara stabil dalam ketumpatan arus permukaan yang tinggi (5 mA·cm-2) dan julat suhu yang luas (-20~ 80 darjah). Ia mempunyai kadar pengekalan kapasiti sebanyak 80% selepas 500 kitaran stabil dan purata kecekapan Coulombic 99.95% [Rajah 8(b)], yang merupakan prestasi terbaik bagi bateri keadaan pepejal mikro-silikon yang dilaporkan setakat ini. Perlu dinyatakan bahawa anod μ-Si mengalami kitaran ketumpatan arus tinggi tanpa bahan karbon konduktif, dengan berkesan menekan penguraian elektrolit sulfida. Ia memberikan idea baharu untuk kesan buruk karbon dalam elektrod komposit Si-C dalam pemikiran konvensional. Pada tahun 2022, Cao et al. menyediakan elektrod negatif komposit yang terdiri daripada zarah nano-silikon (nm-Si), karbon konduktif, dan Li6PS5Cl melalui pengilangan bebola. Elektrod negatif komposit mempunyai kekonduksian elektronik dan ion yang baik di dalamnya, yang boleh mengurangkan ketumpatan arus tempatan secara berkesan dan menghalang penjanaan dendrit litium pada permukaan elektrod negatif. Ia digabungkan dengan bahan katod NMC811 kristal tunggal yang disalut dengan kaedah sol-gel. Menggunakan filem Li6PS5Cl dengan ketebalan 47 μm sebagai elektrolit, bateri litium semua keadaan pepejal dengan ketumpatan tenaga sehingga 285 W·h·kg-1 telah diperolehi. Bateri penuh mencapai kapasiti tinggi 145 mA·h·g-1 pada C/3 untuk 1000 kitaran stabil. Anod silikon komposit menunjukkan prospek pembuatan berskala besar, mengurangkan kos dengan ketara, dan menyediakan hala tuju untuk pengkomersilan bateri litium semua keadaan pepejal. Berbeza dengan konsep reka bentuk elektrod negatif Tan, elektrod negatif komposit ini bukan sahaja menambah elektrolit tetapi juga menambah agen pengalir karbon. Sebabnya ialah berbanding dengan μ-Si, nm-Si mempunyai luas permukaan yang lebih tinggi, terdapat lebih banyak sempadan dalam anod silikon, dan biasanya terdapat lapisan SiO pada permukaan nm-Si. Oleh itu, kekonduksian elektrik secara amnya adalah 3 susunan magnitud lebih rendah daripada μ-Si, yang menghalang pengaliran elektron semasa cas dan nyahcas. Eksperimen menunjukkan bahawa semasa proses mengeluarkan litium dari anod nm-Si ini, elektrolit hanya terurai sedikit, dan tiada dendrit litium dihasilkan. Berdasarkan sistem di atas, Cao et al. mencadangkan seni bina bateri dengan reka bentuk tindanan bipolar. Sel tunggal disambungkan secara bersiri melalui pengumpul arus untuk mengurangkan penggunaan bahan tidak aktif, dengan itu mencapai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Lebih khusus lagi, bateri litium semua keadaan pepejal bertindan dua lapis diperbuat daripada kristal tunggal yang stabil antara muka LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, Li6PS5Cl dan nm-Si masing-masing berfungsi sebagai elektrod positif, elektrolit dan elektrod negatif, memberikan voltan tinggi 8.2 V. Ketumpatan tenaga paras bateri ialah 204 W·h·kg-1, iaitu lebih tinggi daripada 189 W·h·kg-1 bagi satu bateri. Reka bentuk bertindan bipolar ini mempunyai kepentingan rujukan yang baik untuk keseluruhan medan bateri keadaan pepejal.

Rajah.8 Pencirian antara muka dan prestasi berbasikal antara anod µ-Si dan Li6PS5Cl dalam ASSLBs

Jadual 1 meringkaskan penyelesaian kepada antara muka elektrolit/anod pepejal sulfida dan kelebihan dan kekurangan yang sepadan.

Jadual 1 Menangani strategi isu antara muka antara anod dan elektrolit keadaan pepejal berasaskan sulfida

Anod lain

Elektrod negatif karbon perak

Lee et al. melaporkan reka bentuk bateri keadaan pepejal menggunakan interlayer perak-karbon (Ag/C) [Rajah 9(a)]. Reka bentuk interlayer ini mengawal selia proses pemendapan litium secara berkesan, dan fenomena pemendapan litium dan pelucutan sangat boleh balik diperhatikan di antara lapisan Ag/C dan pengumpul semasa. Antaranya, C digunakan untuk memisahkan elektrolit Li6PS5Cl daripada litium logam termendap, yang bukan sahaja mengelakkan pengurangan elektrolit tetapi juga menghalang penjanaan dendrit litium. Ag boleh mengurangkan tenaga nukleasi litium logam untuk membentuk aloi Ag-Li. Sebahagian daripada Ag bergerak ke permukaan pengumpul semasa untuk membentuk larutan pepejal dengan litium logam, menggalakkan pemendapan litium seragam. Selepas pelepasan, lapisan litium logam dibubarkan sepenuhnya, manakala Ag kekal di antara pengumpul semasa dan lapisan Ag-C. Reka bentuk ini boleh menampung perubahan volum litium logam semasa berbasikal, mengurangkan ketumpatan arus tempatan anod litium, dan meningkatkan kestabilan kitaran. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9(b), bateri kantung yang dipasang (0.6 A·h) mempamerkan ketumpatan tenaga yang tinggi (lebih daripada 900 W·h·L-1) pada 60 darjah . Kecekapan Coulombik yang stabil melebihi 99.8%. Hayat kitaran panjang (1000 kitaran). Ia menyediakan idea baharu untuk aplikasi komersial bateri litium semua keadaan pepejal.

Rajah.9 Struktur dan prestasi berbasikal untuk ASSLB berasaskan sulfida menggunakan anod Ag-C

grafit

Di antara pelbagai bahan anod berinterkala untuk bateri litium-ion, grafit ialah bahan yang paling berjaya secara komersial kerana kosnya yang rendah, rizab yang besar, dan hayat kitaran yang panjang. Walau bagaimanapun, dalam bidang bateri semua keadaan pepejal, grafit tidak menjadi tumpuan pemilihan bahan elektrod negatif kerana kapasiti teorinya yang terhad. Dalam laporan awal, grafit sering digunakan sebagai bahan anod untuk elektrolit pepejal sulfida yang baru disintesis. Penyelidikan kemudiannya beralih kepada fokus pada mekanisme kerja asas grafit dalam ASSLB sulfida untuk mengoptimumkan reka bentuk dan pembuatan elektrod. Grafit sering digunakan sebagai rangka kerja untuk bahan anod bertenaga tinggi dalam penyelidikan terkini, memberikan integriti struktur dan kekonduksian elektrik. Walau bagaimanapun, elektrod negatif semasa yang lain seperti litium dan silikon masih mempunyai masalah seperti kos yang tinggi, kadar pengembangan volum yang besar, dan kitaran yang tidak stabil. Oleh itu, grafit, sebagai bahan dengan kos rendah, rizab besar, tahap pengkomersilan yang tinggi dan kestabilan yang tinggi, boleh memainkan peranan penting dalam pembangunan proses bateri keadaan pepejal pada peringkat awal. Ia adalah perlu untuk terus mengoptimumkan kapasiti grafit yang ada.

Prarawatan pengumpul semasa

Bateri litium-ion tanpa anod memasang pengumpul semasa terus dengan bateri tanpa menambah litium berlebihan, di mana litium logam terbentuk melalui pengurangan ion litium pada pengumpul semasa daripada penyaduran katod berlitar sepenuhnya semasa kitaran pengecasan pertama. Konsep ini telah dikaji secara meluas dalam bidang bateri litium-ion, dan beberapa pasukan telah memperluaskan reka bentuk ini kepada bateri litium semua keadaan pepejal. Gu et al. terukir permukaan pengumpul arus keluli tahan karat (SSCC) kepada darjah yang berbeza-beza, memadankannya dengan elektrolit pepejal Li5.5PS4.5Cl1.5, dan menjalankan kitaran elektrostatik menggunakan konfigurasi bateri tidak simetri (kerajang litium|kerajang keluli tahan karat). Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa kekasaran SSCC yang berbeza mempunyai kesan yang lebih besar terhadap prestasi bateri. Bateri semua keadaan pepejal yang dipasang dengan SSCC dengan kekasaran 180 nm mempunyai prestasi kitaran elektrokimia yang lebih baik daripada bateri dengan kekasaran hanya 20 nm. Ini disebabkan oleh permukaan kasar yang meningkatkan titik sentuhan antara elektrolit dan pengumpul semasa, menyediakan pelbagai titik tindak balas dan membenarkan pemendapan seragam litium pada antara muka. Walau bagaimanapun, apabila kekasaran permukaan melebihi 500 nm, permukaan yang sangat kasar menyebabkan ion litium hampir tidak mencapai titik sentuhan terhad pada bahagian bawah terukir pengumpul semasa. Ini mengurangkan kerpasan litium dan menunjukkan prestasi yang lebih teruk. Fenomena ini tidak berlaku dalam bateri cecair. Ini menunjukkan bahawa interaksi antara elektrolit pepejal dan pengumpul semasa adalah berbeza dengan ketara daripada elektrolit cecair. Ia adalah perlu untuk meneroka lebih lanjut mekanisme kerja asas dan ciri-ciri sebelum reka bentuk pengumpul semasa bagi bateri keadaan pepejal bebas elektrod negatif boleh dijalankan.

Ringkasan dan Tinjauan

Dengan kemunculan LGPS dengan kekonduksian ionik yang tinggi, penyelidikan mengenai bateri litium-ion keadaan pepejal sulfida telah meningkat dengan banyak. Antaranya, pemilihan bahan anod dan penyelesaian masalah antara muka menjadi salah satu fokus kajian. Ramai sarjana telah merumuskan secara komprehensif kemajuan penyelidikan mengenai antara muka elektrolit anod litium/sulfida. Artikel ini memberikan gambaran keseluruhan sistematik bahan anod arus perdana untuk bateri litium semua keadaan pepejal berdasarkan elektrolit sulfida, seperti litium logam, aloi litium dan anod silikon. Masalah antara muka antara anod litium dan elektrolit sulfida telah dicadangkan, dan strategi umum untuk meningkatkan sifat antara muka telah diringkaskan. Pada masa ini, bateri litium-ion keadaan pepejal masih jauh daripada aplikasi komersial dan kekurangan penyelidikan teori asas yang lengkap dan sokongan teknikal. Oleh itu, isu-isu berikut masih perlu diberi perhatian dalam penyelidikan akan datang.

(1) Anod aloi litium mempunyai kapasiti penyimpanan litium yang sangat baik dan prestasi yang lebih stabil, dan telah menunjukkan potensi besar dalam menyelesaikan pertumbuhan dendrit litium anod dan litar pintas, mencapai ketumpatan tenaga tinggi dan bateri litium semua keadaan pepejal stabil jangka panjang. Dalam bidang bateri semua keadaan pepejal, disebabkan oleh ciri hubungan antara muka pepejal pepejal, masalah penjanaan SEI berulang yang disebabkan oleh tindak balas bahan aloi dan elektrolit cecair boleh diselesaikan. Untuk menggunakan anod aloi dengan lebih baik, kerja asas dan gunaan perlu dijalankan untuk meningkatkan pemahaman tentang kimia, elektrokimia, sifat mekanikal dan mekanisme kerja anod aloi dalam bateri keadaan pepejal, supaya dapat memenuhi permintaan untuk tinggi- kapasiti, bateri keadaan pepejal stabil jangka panjang. .

(2) Anod silikon boleh memaksimumkan ketumpatan tenaga bagi bateri litium-ion keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, kerana silikon mempunyai kekonduksian elektronik yang rendah, agen pengalir karbon yang biasa digunakan akan mempercepatkan penguraian elektrolit sulfida. Bagaimana untuk mengawal selia parameter komposisi anod silikon supaya ia tidak menjejaskan laluan konduktif elektrod mahupun menyebabkan penguraian elektrolit sulfida adalah cabaran utama yang dihadapi oleh proses penyediaan anod silikon. Ia juga merupakan penghalang teknikal untuk perindustrian berskala besar anod silikon dalam bateri keadaan pepejal sulfida.

(3) Masalah rizab kecil dan harga tinggi litium logam juga perlu diberi perhatian dalam aplikasi komersial sebenar. Walaupun anod litium logam bermanfaat kepada proses penyaduran litium, ia bukanlah komponen yang diperlukan untuk mencapai penyaduran litium tindak balas elektrokimia. Keadaan penggunaan logam litium adalah sangat keras, dan pengeluaran besar-besaran bateri litium akan membawa risiko keselamatan yang besar. Oleh itu, untuk mengurangkan kos, meningkatkan keselamatan dan mencapai pengkomersilan muktamad, pembangunan bateri litium semua keadaan pepejal tanpa anod litium adalah hala tuju penyelidikan. Sebagai contoh, penyelidikan mengenai elektrod komposit Ag-C memberikan idea yang baik untuk kerja seterusnya. Di samping itu, mekanisme kerja asas dan ciri-ciri pengumpul semasa juga memerlukan penyelidikan lanjut untuk merawat pengumpul semasa dengan cara yang disasarkan untuk mendapatkan bateri keadaan pepejal berprestasi tinggi tanpa elektrod negatif.

Pembangunan bahan elektrod negatif dalam bidang bateri keadaan pepejal masih jauh lagi. Dengan penyelidikan yang mendalam, bateri semua keadaan pepejal berasaskan elektrod negatif tenaga tinggi pasti akan menunjukkan kelebihan uniknya dalam bidang bateri sekunder.