物理化学学报 >> 2023, Vol. 39 >> Issue (8): 2211017.doi: 10.3866/PKU.WHXB202211017
所属专题: 固态电池
收稿日期:2022-11-08
录用日期:2022-12-12
发布日期:2022-12-19
通讯作者:
刘金平
E-mail:liujp@whut.edu.cn
基金资助:
Yongzhi Zhao, Chenyang Chen, Wenyi Liu, Weifei Hu, Jinping Liu(
)
Received:2022-11-08
Accepted:2022-12-12
Published:2022-12-19
Contact:
Jinping Liu
E-mail:liujp@whut.edu.cn
Supported by:摘要:
固态锂电池具有安全性好、能量密度高等优点,在新能源汽车和智能电子等领域具有广泛的应用前景。然而,由化学/电化学和物理因素引起的界面副反应与高界面阻抗问题制约了其进一步发展。先前的综述已对解决化学/电化学界面问题的方法有了相对全面的阐述,但并未细致讨论不同结构固态电池中物理界面的影响及应对策略。本文将简要介绍化学/电化学界面问题及其解决方案;重点按结构特点将固态锂电池分为三明治结构、粉末复合结构和3D一体化结构,细致地分析不同电池结构的物理界面特点与优化策略,并对各种策略的优缺点进行比较分析;最后,对固态锂电池电极/电解质界面的未来研究方向进行展望。
赵永智, 陈晨阳, 刘文燚, 胡伟飞, 刘金平. 固态锂电池界面优化策略的研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8), 2211017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211017
Yongzhi Zhao, Chenyang Chen, Wenyi Liu, Weifei Hu, Jinping Liu. Research Progress of Interface Optimization Strategies for Solid-State Lithium Batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39(8), 2211017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211017
| 1 |
Liu L. ; Wu Z. C. ; Zheng Z. ; Zhou Q. J. ; Chen K. ; Yin P. C. Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 4326.
doi: 10.1016/j.cclet.2021.12.031 |
| 2 |
Song K. M. ; Chen W. H. Chem 2021, 7, 3195.
doi: 10.1016/j.chempr.2021.11.016 |
| 3 |
Deysher G. ; Ridley P. ; Ham S. Y. ; Doux J. M. ; Chen Y. T. ; Wu E. A. ; Tan D. H. S. ; Cronk A. ; Jang J. ; Meng Y. S. Mater. Today Phys. 2022, 24, 2542.
doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100679 |
| 4 |
Zhao B. L. ; Ma L. X. ; Wu K. ; Cao M. X. ; Xu M. G. ; Zhang X. X. ; Liu W. ; Chen J. T. Chin. Chem. Lett. 2021, 32, 125.
doi: 10.1016/j.cclet.2020.10.045 |
| 5 |
Zhao T. ; Li S. W. ; Liu F. ; Wang Z. Q. ; Wang H. L. ; Liu Y. J. ; Tang X. Y. ; Bai M. ; Zhang M. ; Ma Y. Energy Storage Mater. 2022, 45, 796.
doi: 10.1016/j.ensm.2021.12.032 |
| 6 |
Zhou B. X. ; Bonakdarpour A. ; Stosevski I. ; Fang B. Z. ; Wilkinson D. P. Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 79.
doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.100996 |
| 7 |
Banerjee A. ; Wang X. ; Fang C. ; Wu E. A. ; Meng Y. S. Chem. Rev. 2020, 120, 6878.
doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00101 |
| 8 | Wang H. ; An H, W. ; Shan H. M. ; Zhao L. ; Wang J. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 36, 2007070. |
|
王晗; 安汉文; 单红梅; 赵雷; 王家钧. 物理化学学报, 2021, 36, 2007070.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202007070 |
|
| 9 |
Zhang Z. H. ; Wu L. P. ; Zhou D. ; Weng W. ; Yao X. Y. Nano Lett. 2021, 21, 5233.
doi: 10.1021/acs.nanolett.1c01344 |
| 10 |
Kato Y. ; Hori S. ; Saito T. ; Suzuki K. ; Hirayama M. ; Mitsui A. ; Yonemura M. ; Iba H. ; Kanno R. Nat. Energy 2016, 1, 7.
doi: 10.1038/nenergy.2016.30 |
| 11 |
Kamaya N. ; Homma K. ; Yamakawa Y. ; Hirayama M. ; Kanno R. ; Yonemura M. ; Kamiyama T. ; Kato Y. ; Hama S. ; Kawamoto K. ; et al Nat. Mater. 2011, 10, 682.
doi: 10.1038/nmat3066 |
| 12 |
Lu Y. ; Li L. ; Zhang Q. ; Niu Z.Q. ; Chen J. Joule 2018, 2, 1747.
doi: 10.1016/j.joule.2018.07.028 |
| 13 |
Wang H. C. ; Zhu J. P. ; Su Y. ; Gong Z. L. ; Yang Y. Sci. China-Chem. 2021, 64, 879.
doi: 10.1007/s11426-021-9985-x |
| 14 |
Goodenough J. B. ; Kim Y. Chem. Mat. 2010, 22, 587.
doi: 10.1021/cm901452z |
| 15 |
Wenzel S. ; Leichtweiss T. ; Kruger D. ; Sann J. ; Janek J. Solid State Ion. 2015, 278, 98.
doi: 10.1016/j.ssi.2015.06.001 |
| 16 |
Rehnlund D. ; Wang Z. H. ; Nyholm L. Adv. Mater. 2022, 34, 2108827.
doi: 10.1002/adma.202108827 |
| 17 |
Haruyama J. ; Sodeyama K. ; Tateyama Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 286.
doi: 10.1021/acsami.6b08435 |
| 18 |
Sakuda A. ; Hayashi A. ; Tatsumisago M. Chem. Mat. 2010, 22, 949.
doi: 10.1021/cm901819c |
| 19 |
Park K. ; Yu B. C. ; Jung J. W. ; Li Y. T. ; Zhou W. D. ; Gao H. C. ; Son S. ; Goodenough J. B. Chem. Mat. 2016, 28, 8051.
doi: 10.1021/acs.chemmater.6b03870 |
| 20 |
Richards W. D. ; Miara L. J. ; Wang Y. ; Kim J. C. ; Ceder G. Chem. Mat. 2016, 28, 266.
doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04082 |
| 21 |
Lu G. ; Geng F. ; Gu S. ; Li C. ; Shen M. ; Hu B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 25556.
doi: 10.1021/acsami.2c05239 |
| 22 |
Cheng Z. ; Liu M. ; Ganapathy S. ; Li C. ; Li Z. L. ; Zhang X. Y. ; He P. ; Zhou H. S. ; Wagemaker M. Joule 2020, 4, 131.
doi: 10.1016/j.joule.2020.04.002 |
| 23 |
Liu S. L. ; Liu W. Y. ; Ba D. L. ; Zhao Y. Z. ; Ye Y. H. ; Li Y. Y. ; Liu J. P. Adv. Mater. 2022, 2110423
doi: 10.1002/adma.202110423 |
| 24 |
Nisar U. ; Muralidharan N. ; Essehli R. ; Amin R. ; Belharouak I. Energy Storage Mater. 2021, 38, 309.
doi: 10.1016/j.ensm.2021.03.015 |
| 25 |
Kitsche D. ; Tang Y. S. ; Ma Y. ; Goonetilleke D. ; Sann J. ; Walther F. ; Bianchini M. ; Janek J. ; Brezesinski T. ACS Appl. Energ. Mater. 2021, 4, 7338.
doi: 10.1021/acsaem.1c01487 |
| 26 |
Ma Y. ; Teo J. H. ; Walther F. ; Ma Y. J. ; Zhang R. Z. ; Mazilkin A. ; Tang Y. S. ; Goonetilleke D. ; Janek J. ; Bianchini M. ; et al Adv. Funct. Mater. 2022, 15, 2111829.
doi: 10.1002/adfm.202111829 |
| 27 |
Peng L. F. ; Ren H. T. ; Zhang J. Z. ; Chen S. J. ; Yu C. ; Miao X. F. ; Zhang Z. Q. ; He Z. Y. ; Yu M. ; Zhang L. ; et al Energy Storage Mater. 2021, 43, 53.
doi: 10.1016/j.ensm.2021.08.028 |
| 28 |
Li X. ; Ren Z. H. ; Banis M. N. ; Deng S. X. ; Zhao Y. ; Sun Q. ; Wang C. H. ; Yang X. F. ; Li W. H. ; Liang J. W. ; et al ACS Energy Lett. 2019, 4, 2480.
doi: 10.1021/acsenergylett.9b01676 |
| 29 |
Liu Y. L. ; Sun Q. ; Liu J. R. ; Banis M. N. ; Zhao Y. ; Wang B. Q. ; Adair K. ; Hu Y. F. ; Xiao Q. F. ; Zhang C. ; et al ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 2293.
doi: 10.1021/acsami.9b16343 |
| 30 |
Tsai W. Y. ; Thundat T. ; Nanda J. Matter 2021, 4, 2119.
doi: 10.1016/j.matt.2021.06.014 |
| 31 |
Gao Y. ; Du X. Q. ; Hou Z. ; Shen X. ; Mai Y. W. ; Tarascon J. M. ; Zhang B. A. Joule 2021, 5, 1860.
doi: 10.1016/j.joule.2021.05.015 |
| 32 |
Krauskopf T. ; Richter F. H. ; Zeier W. G. ; Janek J. Chem. Rev. 2020, 120, 7745.
doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00431 |
| 33 |
Xu B. Y. ; Li X. Y. ; Yang C. ; Li Y. T. ; Grundish N. S. ; Chien P. H. ; Dong K. ; Manke I. ; Fang R. Y. ; Wu N. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6542.
doi: 10.1021/jacs.1c00752 |
| 34 |
Mi J.S. ; Ma J.B. ; Chen L.K. ; Lai C. ; Yang K. ; Biao J. ; Xia H.Y. ; Song X. ; Lv W. ; Zhong G.M. Energy Storage Mater. 2022, 48, 375.
doi: 10.1016/j.ensm.2022.02.048 |
| 35 |
Arrese-Igor M. ; Martinez-Ibanez M. ; Pavlenko E. ; Forsyth M. ; Zhu H. ; Armand M. ; Aguesse F. ; Lopez-Aranguren P. ACS Energy Lett. 2022, 7, 1473.
doi: 10.1021/acsenergylett.2c00488 |
| 36 |
Wang P. ; Qu W. J. ; Song W. L. ; Chen H. S. ; Chen R. J. ; Fang D. N. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 29.
doi: 10.1002/adfm.201900950 |
| 37 |
Tian H. K. ; Qi Y. J. Electrochem. Soc. 2017, 16, 3512.
doi: 10.1149/2.0481711jes |
| 38 |
Stallard J. C. ; Wheatcroft L. ; Booth S. G. ; Boston R. ; Corr S. A. ; De Volder M. F. L. ; Inkson B. J. ; Fleck N. A. Joule 2022, 6, 984.
doi: 10.1016/j.joule.2022.04.001 |
| 39 |
Liu Y. Y. ; Tzeng Y. K. ; Lin D. C. ; Pei A. ; Lu H. Y. ; Melosh N. A. ; Shen Z. X. ; Chu S. ; Cui Y. Joule 2018, 2, 1595.
doi: 10.1016/j.joule.2018.05.007 |
| 40 |
Kasemchainan J. ; Zekoll S. ; Jolly D. S. ; Ning Z. ; Hartley G. O. ; Marrow J. ; Bruce P. G. Nat. Mater. 2019, 18, 1105.
doi: 10.1038/s41563-019-0438-9 |
| 41 |
Yamada H. ; Ito T. ; Basappa R. H. ; Bekarevich R. ; Mitsuishi K. J. Power Sources 2017, 368, 97.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.09.076 |
| 42 |
Zhang W. B. ; Schroder D. ; Arlt T. ; Manke I. ; Koerver R. ; Pinedo R. ; Weber D. A. ; Sann J. ; Zeier W. G. ; Janek J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 9929.
doi: 10.1039/c7ta02730c |
| 43 |
Liang J. Y. ; Zeng X. X. ; Zhang X. D. ; Zuo T. T. ; Yan M. ; Yin Y. X. ; Shi J. L. ; Wu X. W. ; Guo Y. G. ; Wan L. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9165.
doi: 10.1021/jacs.9b03517 |
| 44 |
Duan H. ; Yin Y. X. ; Shi Y. ; Wang P. F. ; Zhang X. D. ; Yang C. P. ; Shi J. L. ; Wen R. ; Guo Y. G. ; Wan L. J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 14, 82.
doi: 10.1021/jacs.7b10864 |
| 45 |
Wu J. Y. ; Ju Z. Y. ; Zhang X. ; Marschilok A. C. ; Takeuchi K. J. ; Wang H. L. ; Takeuchi E. S. ; Yu G. H. Adv. Mater. 2022, 34, 2202780.
doi: 10.1002/adma.202202780 |
| 46 |
Deng C. L. ; Chen N. ; Hou C. Y. ; Liu H. X. ; Zhou Z. M. ; Chen R. J. Small 2021, 17, 9.
doi: 10.1002/smll.202006578 |
| 47 |
Guo S. J. ; Li Y. T. ; Li B. ; Grundish N. S. ; Cao A. M. ; Sun Y. G. ; Xu Y. S. ; Ji Y. L. M. ; Qiao Y. ; Zhang Q. H. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2179.
doi: 10.1021/jacs.1c10872 |
| 48 |
Liu Y. Q. ; Wang X. ; Ghosh S. K. ; Zou M. ; Zhou H. ; Xiao X. H. ; Meng X. B. Dalton Trans. 2022, 51, 2737.
doi: 10.1039/d1dt03600a |
| 49 |
Deng T. ; Ji X. ; Zhao Y. ; Cao L. S. ; Li S. ; Hwang S. ; Luo C. ; Wang P. F. ; Jia H. P. ; Fan X. L. ; et al Adv. Mater. 2020, 32, 2000030.
doi: 10.1002/adma.202000030 |
| 50 |
Shao Y. J. ; Wang H. C. ; Gong Z. L. ; Wang D. W. ; Zheng B. Z. ; Zhu J. P. ; Lu Y. X. ; Hu Y. S. ; Guo X. X. ; Li H. ; et al ACS Energy Lett. 2018, 3, 1212.
doi: 10.1021/acsenergylett.8b00453 |
| 51 | Zhao J. H. ; Xie M. L. ; Zhang H. Y. ; Yi R. W. ; Hu C. J. ; Kang T. ; Zheng L. ; Cui R. G. ; Chen H. W. ; Shen Y. B. ; et al Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2104003. |
|
赵江辉; 谢茂玲; 张海洋; 易若玮; 胡晨吉; 康拓; 郑磊; 崔瑞广; 陈宏伟; 沈炎宾; 等. 物理化学学报, 2021, 37, 2104003.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202104003 |
|
| 52 |
Strauss F. ; Bartsch T. ; de Biasi L. ; Kim A. Y. ; Janek J. ; Hartmann P. ; Brezesinski T. ACS Energy Lett. 2018, 3, 992.
doi: 10.1021/acsenergylett.8b00275 |
| 53 |
Shi T. ; Tu Q. S. ; Tian Y. S. ; Xiao Y. H. ; Miara L. J. ; Kononova O. ; Ceder G. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1902881.
doi: 10.1002/aenm.201902881 |
| 54 |
Zhao J. ; Zhao C. ; Zhu J. P. ; Liu X. S. ; Yao J. M. ; Wang B. ; Dai Q. S. ; Wang Z. F. ; Chen J. Z. ; Jia P. ; et al Nano Lett. 2022, 2, 411.
doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04076 |
| 55 |
Jiang W. ; Zhu X. X. ; Huang R. Z. ; Zhao S. ; Fan X. M. ; Ling M. ; Liang C. D. ; Wang L. G. Adv. Energy Mater. 2022, 2103473
doi: 10.1002/aenm.202103473 |
| 56 |
Yang C.P. ; Wu Q.S. ; Xie W.Q. ; Zhang X. ; Brozena A. ; Zheng J. ; Garaga M. N. ; Ko B. H. ; Mao Y.M. ; He S.M. ; et al Nature 2021, 598, 590.
doi: 10.1038/s41586-021-03885-6 |
| 57 |
Li Z. ; Zhou X. Y. ; Guo X. Energy Storage Mater. 2020, 29, 149.
doi: 10.1016/j.ensm.2020.04.015 |
| 58 |
Bi Z. J. ; Mu S. ; Zhao N. ; Sun W. H. ; Huang W. L. ; Guo X. X. Energy Storage Mater. 2021, 35, 512.
doi: 10.1016/j.ensm.2020.11.038 |
| 59 |
Yubuchi S. ; Uematsu M. ; Deguchi M. ; Hayashi A. ; Tatsumisago M. ACS Appl. Energ. Mater. 2018, 1, 3622.
doi: 10.1021/acsaem.8b00280 |
| 60 |
Xiao Y. R. ; Turcheniuk K. ; Narla A. ; Song A. Y. ; Ren X. L. ; Magasinski A. ; Jain A. ; Huang S. ; Lee H. ; Yushin G. Nat. Mater. 2021, 20, 984.
doi: 10.1038/s41563-021-00943-2 |
| 61 |
Geng Z. ; Huang Y. L. ; Sun G. C. ; Chen R. S. ; Cao W. Z. ; Zheng J. Y. ; Li H. Nano Energy 2022, 91, 2211.
doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106679 |
| 62 |
Gao X.W. ; Liu B.Y. ; Hu B.K. ; Ning Z.Y. ; Jolly D. S. ; Zhang S.M. ; Perera J. ; Bu J. ; Liu J.L. ; Doerrer C. ; et al Joule 2022, 6, 636.
doi: 10.1016/j.joule.2022.02.008 |
| 63 | Zhu G. L. ; Zhao C. Z. ; Yuan H. ; Nan H. X. ; Zhao B. C. ; Hou L. P. ; He C. X. ; Liu Q. B. ; Huang J. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005003. |
|
朱高龙; 赵辰孜; 袁洪; 南皓雄; 赵铂琛; 侯立鹏; 何传新; 刘全兵; 黄佳琦. 物理化学学报, 2021, 37, 2005003.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202005003 |
|
| 64 |
Doux J. M. ; Yang Y. Y. C. ; Tan D. H. S. ; Nguyen H. ; Wu E. A. ; Wang X. F. ; Banerjee A. ; Meng Y. S. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 5049.
doi: 10.1039/c9ta12889a |
| 65 |
Li L. P. ; Liu W. Y. ; Dong H. Y. ; Gui Q. Y. ; Hu Z. Q. ; Li Y. Y. ; Liu J. P. Adv. Mater. 2021, 33, 20204959.
doi: 10.1002/adma.202004959 |
| 66 |
Nie L. ; Chen S. J. ; Zhang C. ; Dong L. ; He Y. J. ; Gao T. Y. ; Yu J. M. ; Liu W. Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100851.
doi: 10.1016/j.xcrp.2022.100851 |
| 67 |
Liu W. Y. ; Yi C. J. ; Li L. P. ; Liu S. L. ; Gui Q. Y. ; Ba D. L. ; Li Y. Y. ; Peng D. L. ; Liu J. P. Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 12931.
doi: 10.1002/anie.202101537 |
| 68 |
Xia Q. Y. ; Zhang Q. H. ; Sun S. ; Hussain F. ; Zhang C. C. ; Zhu X. H. ; Meng F. Q. ; Liu K. M. ; Geng H. ; Xu J. ; et al Adv. Mater. 2021, 33, 2003524.
doi: 10.1002/adma.202003524 |
| 69 |
Salian G. D. ; Lebouin C. ; Demoulin A. ; Lepihin M. S. ; Maria S. ; Galeyeva A. K. ; Kurbatov A. P. ; Djenizian T. J. Power Sources 2017, 340, 242.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.078 |
| 70 |
Matsuda Y. ; Kuwata N. ; Kawamura J. Solid State Ion. 2018, 320, 38.
doi: 10.1016/j.ssi.2018.02.024 |
| 71 |
Zhou X. ; Zhang Y. ; Shen M. ; Fang Z. ; Kong T. Y. ; Feng W. L. ; Xie Y. H. ; Wang F. ; Hu B. W. ; Wang Y. G. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103932.
doi: 10.1002/aenm.202103932 |
| [1] | 吕寒梅, 陈昕, 孙麒富, 赵宁, 郭向欣. 纳米石榴石固体电解质粉体在聚合物电解质中的均匀分散[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 2305016 - . |
| [2] | 秦豆豆, 丁俊阳, 梁初, 刘倩, 冯立纲, 罗扬, 胡广志, 罗俊, 刘熙俊. 锰基正极材料在水系锌离子电池中的挑战及性能提升策略[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2310034 - . |
| [3] | 夏求应, 蔡雨, 刘威, 王金石, 吴川智, 昝峰, 徐璟, 夏晖. 锂负极失效的全固态薄膜锂电池的直接回收再利用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2212051 -0 . |
| [4] | 陈鲜红, 阮鹏超, 吴贤文, 梁叔全, 周江. 水系锌二次电池MnO2正极的晶体结构、反应机理及其改性策略[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2111003 - . |
| [5] | 李莹, 来雪琦, 曲津朋, 赖勤志, 伊廷锋. 钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2204049 - . |
| [6] | 蔡明俐, 姚柳, 靳俊, 温兆银. 水溶液法原位构建ZnO亲锂层稳定锂-石榴石电解质界面[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2009006 - . |
| [7] | 金锋,李静,胡晨吉,董厚才,陈鹏,沈炎宾,陈立桅. 基于一体化正极与电解质膜的高性能固态电池[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1399 -1403 . |
|
||