Nat. Commun.：高比能量固态软包电池

作者：景行 审核：试灯问墨

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目前，固态电池（SSBs）缺乏实现高比能的系统化设计方法，尤其是在高负载电极和多堆叠电池制造方面。此外，大多数SSBs研究中电极组成具有低活性材料（AM）含量，这与实现高比能所需的电极配置相去甚远。因此，开展系统性研究，设计高负载电极并建立实现高比能SSBs的原则至关重要。

韩国能源研究院Jinsoo Kim和蔚山科学技术院Sung-Kyun Jung等人提出了一种基于电极和电解质组分的微观结构和构筑参数的先进参数化电池设计，涵盖了电极组成/密度/负载，固态电解质（SE）膜的物理特性，以及电极尺寸/堆叠数量等。通过组装和测试具有固体聚合物电解质的10层和4层固态锂软包电池（在45°C下施加3.74 MPa的堆叠压力），分别实现了初始比能量280 Wh kg⁻¹（对应能量密度600 Wh L⁻¹）和310 Wh kg⁻¹（对应能量密度650 Wh L⁻¹）。相关工作以“Advanced parametrization for the production of high-energy solid-state lithium pouch cells containing polymer electrolytes”为题发表在Nat. Commun.上。

本文提出了高比能固态电池（SSBs）的电极和电池层面的设计原则，并通过对多层软包电池的实验验证，展示了这些设计原则的有效性。

图1（a）活性材料（AM）和固态电解质（SE）膜之间的平衡阈值。（b，c）电极的理想模型。（d-g）在相同的平衡阈值下，不同的界面接触微观结构与电极密度和孔隙率有关。（h–k）对于具有不同真实密度的各种类型的材料，电极孔隙率与其密度相关，作为AM和SE的重量比的函数。

通过控制AM/SE重量比和调节电极密度来设计所需的电极结构是至关重要的。AM和SE的真实密度变化很大，作者绘制了AM/SE复合电极的几种代表性组合。等高线图中显示了三个变量:AM比率(wt%)、电极密度(g cm⁻³)和电极孔隙率(vol%)。根据这张包含固态聚合物电解质（SPE）和Li₆PS₅Cl（LPSCl）的图，为了获得更高的比能量，SE在真实密度方面应该是轻质的。作为活性材料（AM）的NCM622和NCM811具有相似的真实密度（分别为4.76 g/cm³和4.79 g/cm³）。然而，这里考虑的SE材料具有不同的真实密度值（SPE为1.80 g/cm³，LPSCl为1.54 g/cm³，Li₃InCl₆为2.59 g/cm³，以及Li₇La₃Zr₅O₁₂（LLZO）为5.01 g/cm³）。SPE、LPSCl和Li₃InCl₆的真实密度低于AM的真实密度。在相同的孔隙率下，随着AM的重量比例增加和SE的重量比例减少，电极密度会增加。LLZO通常不被认为是一种更好的SE，因为它通常比NCM活性材料重。

图2示意图、SEM图像和CT图像显示了使用不同压制技术获得的电极微结构：（a, d, g）未挤压成型；（b, e, h）滚压；（c, f, I）等静压。

适当的压缩水平对于减少电极孔隙率、增加电极密度是必要的，而温等静压（WIP）方法对于制造理想电极结构非常有效。然而，由于WIP技术在制造过程中产生的一次性废物需要在准备前后处理掉，它不太可能被应用于连续的制造过程；因此，应该开发一种替代的三维压制方法。

图3高比能SSB设计。（a-d）SSB的结构设计。（e-h）SSB组件的实物展示。（i–k）不同条件下的性能参数。

作者铸造了一个基于PVDF-HFP：LiTFSI：琥珀腈（SN）的独立SE膜。该膜的厚度是可调的；作者也制造了一个稍厚的膜（75~100微米），对于高负载正极，较厚的SE膜是必需的。然后，SE膜和复合电极被层压成膜-电极组装（MEA），独立式薄锂金属负极（40微米）也被轻轻地层压在MEA堆叠上，以制造SSB电池。最终层压的堆叠电池尺寸约为3厘米×4厘米，均匀无缺陷。

图4高比能SSB性能。（a，b）10层1 Ah规模的SSB软包电池性能。（c，d）4层0.5 Ah规模的SSB软包电池性能。

作者构建了总放电容量为1 Ah的电池（总负载量26 mg/cm²，相当于面积放电容量为4.27 mAh/cm²），库仑效率超过87%，首次放电时的能量效率约为83%。整个软包电池的重量为5.79 g，表明比能量约为280 Wh/kg。此外，使用更高的总负载量30 mg/cm²（相当于面积放电容量为5.24 mAh/cm²），可以获得SSB软包电池的最高比能量为310 Wh/kg。

图5根据最近发表的研究对SSB的性能进行评价。

本文展示的SSB软包电池比能量超过300 Wh/kg值得关注。尽管许多公司声称已经开发出比能量超过300 Wh/kg的高比能量SSB，但获取详细信息以供同行验证的权限受到限制。为了公平比较，作者从Janek等人的文献和几篇具有代表性的研究报告中收集了相关信息，然后使用提供的模型函数进行了定量评估。尽管它们的测试条件在电流密度和温度方面略有不同，但关于电极设计参数和导出的比能量的基本信息可以在相同的设计空间中进行比较。图表显示，大多数先前的研究标记的电极负载和活性物质比率较低，这不足以实现高比能量；而一些先前的工作在电极层面上的电极负载和活性物质比率上比较高，从而提高了面积放电容量。因此，就先进的电极设计以及在0.5 Ah规模上实现310 Wh/kg的实际电池演示而言，本研究展示的比能量是值得关注的。

本文提出了多尺度、多参数的设计规则，涵盖了电极组成/密度/负载，固态电解质（SE）膜的物理特性，以及电极尺寸/堆叠数量。作者基于这些直观的设计规则和高可加工性的固态聚合物电解质（SPE）构建了含有94 wt%活性材料的复合电极，面积容量超过4 mAh cm⁻²，电极密度约为3.6 g cm⁻³。结合薄锂金属负极（40 μm）和SE膜，成功构建了10层1 Ah和4层0.5 Ah规模的SSB软包电池，比能分别超过280和310 Wh kg⁻¹。

Wonmi Lee, Juho Lee, Taegyun Yu, Hyeong-Jong Kim, Min Kyung Kim, Sungbin Jang, Juhee Kim, Yu-Jin Han, Sunghun Choi, Sinho Choi, Tae-Hee Kim, Sang-Hoon Park, Wooyoung Jin, Gyujin Song, Dong-Hwa Seo, Sung-Kyun Jung & Jinsoo Kim. Advanced parametrization for the production of high-energy solid-state lithium pouch cells containing polymer electrolytes. Nat. Commun. 15, 5860 (2024).

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50075-9