可充电锂离子电池(Li-ion batteries, LIBs)凭借其高电压、高能量密度和环境友好等优势, 被广泛用于能量储存和动力支持等领域。 然而, 传统液态电池存在有机溶剂高度易燃、电化学窗口较小以及金属锂不均匀沉积 等 问 题, 因 此 逐 渐 发 展 了 应 用 于 固 态 锂 电 池(solid-state lithium batteries, SSLBs)的安全、不易燃及与金属锂兼容的固态电解质(solid-state electrolytes, SSEs)。但大量的研究表明，实际组装后的 SSLBs 仍表现出较差的电化学性能, 存在与液态体系类似的锂枝晶生长、体积膨胀和大界面阻抗的问题。同时, 一些高容量电极材料在循环过程中结构会发生剧烈变化, 导致电池机械降解, 涉及更复杂的界面传输机制, 需要深入研究, 探索其内在动力学和热力学问题。

近几年, 伴随着先进表征技术的发展, 使得界面研究成为可能, 固态电池内在反应机理的深入研究也因此取得了一定的进展。 传统的非原位表征技术, 因后处理导致时间上的推迟, 不能提供随环境变化而变化的定性、定量信息, 所以有必要发展在不同时间、空间尺度下的原位表征技术, 以实时监测电池微观结构的转变和离子扩散的演变过程。本综述系统地介绍了近几年原子力显微镜、电子显微镜、 X 射线显微镜等成像表征技术和拉曼光谱、 X-ray 基技术、中子深度分析等成分分析技术的原位研究进展。 重点分析了各类表征技术在 SSLBs 循环过程中形貌和组分的演化, 包括正极材料的相变、形变, 金属锂的沉积/溶解、锂枝晶生长, 固态电解质结构演化和电极/电解质界面相的形成, 进一步加深了对固态锂电池的理解。 该成果近期发表在《ACTA CHIMICA SINICA》上。

DOI:10.6023/A21060255

In Situ/Operando Advances of Electrode Processes in Solid-state Lithium Batteries

ACTA CHIMICA SINICA.2021,79, 1197-1213.

                                                           图 1 固态锂电池电极过程的原位表征技术示意图