【研究背景】

現在由于電解液的限制，過渡金屬氧化物正極的容量正在接近極限。為進一步提高鋰電池的能量密度，最有前景的策略是采用新型高容量和高壓正極材料，以及采用金屬鋰負極代替石墨。但是由于商用有機電解質具有揮發性和易燃性的特征，高壓高能量密度情況下極易引發一系列安全問題。而固態電解質因其固有的高安全性和良好的熱穩定性，而且對金屬鋰負極穩定的特征，因此在追求下一代高能量密度、高安全性儲能系統的過程中，固態鋰金屬電池引起了工業界和學術界的廣泛關注。然而高的工作電壓對固態電解質提出了更高的要求，因此，高壓穩定的固態電解質是高能量密度固態鋰金屬電池的核心。考慮到對高壓穩定固態電解質的當前探索和未來前景，本篇文章對對高壓固態電解質最新進展、基本機理、科學挑戰進行的全面深入的綜述，特別關注了固態鋰金屬電池中高壓本征和非本征穩定固態電解質的不同設計原則和新見解，旨在實現下一代高能量密度固態鋰金屬電池的商業化。

【文章簡介】

近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在國際材料領域頂級期刊《Matter》（影響因子19.967）發表了題為《Achieving high-energy and high-safety lithium metal batteries with high-voltage-stable solid electrolytes》的綜述文章，文章全面綜述了高壓固態電解質的測試方法、科學挑戰與設計策略（圖1），以激發革命性的下一代高壓固態鋰電池發展。本文的通訊作者為清華大學趙辰孜助理研究員和孫碩博士，以及北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉科學研究院碩士研究生王子游。

圖1. 設計高壓固態電解質的策略示意圖

【本文要點】

要點一：高壓固態電解質的概念，常見測試方法與高壓分解機制。文章針對高壓穩定的基礎概念與常見理論/實踐模型進行了討論（圖2）。此外，還對常用高壓穩定固態電解質測試方法進行了概述，為更準確、更規范評估高壓穩定固態電解質提出了見解。

圖2. 電化學窗口示意圖與常見電解質理論/實驗電化學窗口＆對現有評測電化學窗口方式的評價

要點二：本征穩定高壓固態電解質設計策略。本征穩定性是指固態電解質和電極之間在高壓下幾乎不會發生電解質的分解反應。對于無機固態電解質，穩定性在很大程度上取決于陰離子框架的電負性，其中基于氟化物、氯化物和氧化物框架的無機電解質可以在大多數高壓條件下實現本征穩定性。對于聚合物體系，具有吸電子基團的聚合物基質通常表現出更高的穩定性。此外鋰鹽的種類和濃度也會影響聚合物電解質的高壓穩定性，含B/F鹽與高鹽策略具有穩定電解質在高壓條件下的潛力。

要點三：非本征高壓穩定固態電解質的設計原則。對于本身高壓不穩定的固態電解質，通過設計界面鈍化層、構建復合電解質和使用不對稱結構等來提高高壓相容性的策略，可以實現它們的非本征高壓穩定

1）界面鈍化層設計可以產生具有高離子電導率和低電子電導率的理想界面相，從動力學上抑制電化學分解，有助于電池在高電壓下穩定運行；

2）構建復合電解質調節局部分子間相互作用，從而延緩固態電解質高壓分解；

3）非對稱結構的雙層/多層電解質設計可以結合不同固態電解質的優點。特別是具有高機械模量和離子電導率的陶瓷/聚合物不對稱電解質是最實用的選擇之一。（圖3）

圖3. 非對稱結構的雙層/多層電解質設計與實用化方法

就未來的研究以及下一代高壓穩定固態電池的潛在發展而言，還需要進一步優化的研究范式與潛在的技術進步路徑有：

1）高通量篩選和高級理論計算。理論化學有助于快速選擇化學系統，排除某些化合物并縮小實驗的篩選范圍，從而顯著增強高壓穩定的固態電解質的設計效率并提供深入的理解。

2）促進電化學窗口的標準測試方法統一，這包括更接近真實化學環境的電池配置和更嚴格的測試條件。例如，應統一掃描速率和截止電流的選擇方式以進行公平比較。

3）通過先進技術跟蹤界面演化并在高壓下表征。當前，固態體系電極/電解質界面仍然是“黑匣子”，通過原位觀測和多尺度計算的組合，可以更加詳細研究界面反應、跨多相界面的離子轉運以及其他復雜的界面行為。

4）電池回收。與傳統的液體基電池相比，固態電池在電池回收方面具有更多的機會和挑戰，例如由于高壓雙極堆疊而導致去除的許多焊接點，在無機電解質中使用稀土元素以及實用電池的不同熱化學特性等都是有待探索的課題。建立智能狀態估計，故障診斷，周期壽命預測和電池管理系統也將提高循環效率和整體設備可靠性。

具有高電壓穩定性的固態電解質對于開發高能量密度高安全性固態鋰金屬電池至關重要。通過化學、材料、工程和電池管理的協同作用，可以預期在不久的將來會出現更先進的固態電解質和固態電池。

審核編輯 ：李倩