加州大学圣地亚哥分校 学分:加州大学圣地亚哥分校 说到电池，总有需要改进的地方:开发更便宜、更安全、更耐用、更节能、更容易回收的电池的竞赛正在进行
在2020年3月《自然纳米技术》杂志上发表的一篇综述文章中，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师提供了一份研究路线图，其中包括四个需要解决的挑战，以推动一类有前途的电池——全固态电池——走向商业化
这篇文章总结了团队在过去三年中为应对这些挑战所做的工作，这些工作已在各种期刊上发表的几篇同行评议文章中进行了报道
与今天的可充电锂离子电池不同，它含有易燃的液体电解质，固体电解质电池除了具有更高的能量密度等一系列优点外，还具有更高的安全性
在《自然纳米技术评论》的文章中，研究人员关注无机固体电解质，如陶瓷氧化物或硫化物玻璃
无机固体电解质是用于全固态电池的一类相对较新的固体电解质(与更广泛研究的有机固体电解质相反
) 路线图:全固态电池的无机电解质 以下是研究人员在他们的综述文章中描述的路线图大纲: 创建稳定的固体电解质化学界面操作诊断和表征的新工具可扩展且经济高效的可制造性为可回收性设计的电池 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授雪莉·孟说:“退一步考虑如何同时应对这些挑战非常重要，因为它们都是相互关联的。”
“如果我们要兑现全固态电池的承诺，我们必须找到同时应对所有这些挑战的解决方案
" 作为加州大学圣地亚哥分校可持续能源与动力中心主任和加州大学圣地亚哥材料研究与设计学院院长，孟是加州大学圣地亚哥分校全固态电池研发前沿研究团队的重要成员
产生稳定的固体电解质化学界面 固态电解质从早期就有了长足的进步，当时发现的第一批电解质的电导率值对于实际应用来说太低了
当今先进的固态电解质的电导率甚至超过了当今电池中使用的传统液体电解质的电导率(大于10ms·cm-1)
离子电导率是指锂离子在电解质中移动的速度
不幸的是，大多数报道的高导电性固体电解质通常电化学不稳定，并且当应用于电池中使用的电极材料时面临问题
“在这一点上，我们应该把注意力从追求更高的离子电导率上转移开
相反，我们应该关注固态电解质和电极之间的稳定性，”孟说
如果离子传导率类似于汽车的行驶速度，那么界面稳定性指的是在交通高峰时段通过有多困难
如果你在上班的路上遇到交通堵塞，你的车能开多快并不重要
加州大学圣地亚哥分校的研究人员最近解决了这一界面稳定性瓶颈，展示了如何使用具有中等离子电导率但界面稳定的固体电解质来稳定电极-电解质界面并提高电池性能
用于手术诊断和特征描述的新工具 为什么电池会失效？为什么会发生短路？了解电池内部情况的过程需要纳米级的表征，最好是实时的
对于全固态电池来说，这极具挑战性
电池表征通常依赖于使用探针，如x光、电子或光学显微镜
在商用锂离子电池中，所用的液体电解质是透明的，允许观察各个电极上的各种现象
在某些情况下，这种液体也可以被洗掉，以提供更清洁的表面，用于更高分辨率的表征
“我们观察今天的锂离子电池要容易得多
但是在全固态电池中，所有东西都是固态的或者被掩埋的
达伦·H说:“如果你对全固态电池采用同样的技术，就像试图透过砖墙看东西一样。”
S
谭，纳米工程博士
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加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的候选人
此外，固态电池中使用的固体电解质和锂金属对电子束损伤很敏感
这意味着，用于研究电池的标准电子显微镜技术会在观察和表征感兴趣的材料之前损坏它们
加州大学圣地亚哥分校的研究人员克服这些挑战的一种方法是使用低温方法来保持电池材料的凉爽，减轻它们在电子显微镜探针下的分解
用于克服表征固体电解质界面的障碍的另一个工具是x光断层摄影
这与人类在健康检查中所经历的相似
这种方法在最近的一篇论文中被使用，该论文报道了对埋藏在固体电解质中的锂枝晶的观察——没有打开或破坏电池本身
可扩展且经济高效的可制造性 电池研究的突破如果不可扩展，通常意义不大
这包括全固态电池的进步
如果这种类型的电池要在未来几年内进入市场，电池界需要以低成本和大规模的方式制造和处理它们的敏感组件材料
在过去的几十年里，研究人员在实验室里开发了各种固体电解质材料，这些材料具有理想的电池化学特性
不幸的是，许多这些有前途的材料要么成本太高，要么难以大规模生产
例如，当制造得足够薄以用于卷对卷制造时，许多变得非常脆，卷对卷制造要求厚度小于30微米
此外，大规模生产固体电解质的方法还没有很好地建立起来
例如，大多数合成方案需要多个高能过程，包括多个研磨、热退火和溶液处理步骤
为了克服这些限制，加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在整合多个专业领域
他们将传统材料科学中使用的陶瓷与有机化学中使用的聚合物相结合，开发出与可扩展制造工艺兼容的灵活稳定的固体电解质
为了解决材料合成的问题，该团队还报告了如何使用单步制造来规模化生产固体电解质材料，而不需要额外的退火步骤
为可回收性设计的电池 废电池含有有价值且有限的材料，如锂和钴，可以重复使用
当它们到达生命周期的终点时，这些电池需要去某个地方，否则它们将会随着时间的推移而被浪费掉
然而，今天的回收方法通常是昂贵的、耗费能源和时间的，并且包括用于加工的有毒化学物质
此外，由于电解质、锂盐、隔膜、添加剂和包装材料的再循环率低，这些方法仅回收一小部分电池材料
在很大程度上，这是因为今天的电池从一开始就没有考虑到成本效益和可回收性
加州大学圣地亚哥分校的研究人员处于努力设计未来全固态电池的可重复使用性和可回收性的前沿
加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授陈政说:“成本效益高的可重复使用性和可回收性必须融入未来的发展中，这是开发全固态电池所需要的，这种电池能提供每千克500瓦时或更高的高能量密度。”
“重要的是，我们不能犯与锂离子电池相同的可回收性错误
" 电池的设计也需要考虑到它们的整个生命周期
这意味着设计的电池在低于其原始容量的60-80%后仍能继续使用，这通常标志着电池使用寿命的结束
这可以通过探索电池的二次利用来实现，如固定存储或应急电源，在它们最终到达回收中心之前延长它们的寿命
有机电解质全固态电池作为未来的电池技术提供了巨大的希望，它将提供高能量密度、安全性、长寿命和可回收性
但是，要将这些可能性转化为现实，需要进行战略研究，考虑包括可回收性在内的其余挑战是如何相互关联的
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