迄今為止，鋰離子電池 (LIB) 是電化學儲能領域無可爭議的技術，因為它們具有高能量和功率密度、出色的循環性和可靠性。如果沒有具有成本效益的 LIB 電池大規模生產以及它們不斷增長的性能，最近推動車輛電氣化是不可能的。然而，由於 LIB 的性能將接近極限。
作為更現實的進步之一，固態電池 (SSB) 最近成為一種潛在的後續技術，由於雙極堆疊的可能性、鋰金屬或矽陽極和預計更高的設備安全性。此外，固態電解質 (SEs) 可以防止電極串擾，即溶解的活性材料之間不需要的化學相互作用，這將消除 LIB 長期不穩定的一個原因。
此外，無機 SE 的高鋰離子遷移數約為 1，因此可以在沒有電解質極化的情況下實現非常快的充電能力，這確實會導致高預計功率密度。
然而，任何商業可行性都在很大程度上取決於各種參數，例如比容量和功率方面的存儲性能、安全性以及最終的成本和材料資源。
最近的計算表明，即使在電池級別——不僅包括所有內部電池組件，如材料、粘結劑和集流體，還包括外殼、電極和墊圈——SSB 也有可能取代 LIB。例如，基於 NCA (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) 與石墨的 LIB 分別達到了 265 Wh kg-1 和 635 Wh l-1 的比能量和能量密度。相比之下，基於 NCA 與鋰金屬的 SSB 理論上可能分別達到 393 Wh kg-1 和 1,143 Wh l-1。SSB 技術的潛力很有吸引力，三星、Solid Power、QuantumScape 和豐田等公司都報告了重大進展。然而，LIB 是一個移動的目標，除了電化學考慮之外的工程問題以及成本肯定會主導任何商業開發。
全球範圍內最近的快速研究使人們更好地了解了過去十年中電池固態化的主要挑戰。首先，這些包括固態複合電極（特別是陰極）的理解、設計和製備，這些電極需要最小的堆疊壓力才能穩定長期運行。理想情況下，此壓力低於 0.1 MPa，但幾MPa在技術上也是可以接受的。第二，開發穩定的高倍率和高容量負極，例如基於鋰金屬或矽。第三，SEs 的設計在厚且優化的陰極結構中提供非常高（有效）的離子電導率，以及足夠的穩定性和低成本。第四，活性材料和SE之間的長期穩定和低電阻界面。第五，可能更具可持續性的方法，例如基於鈉和基於硫轉化的 SSB。此外，結合固態和液體或凝膠-聚合物電解質的「混合」概念的興起變得重要，允許擴大規模和低成本生產的需求也變得重要。
一、複合材料傳輸和化學力學是關鍵
圖 1 顯示了典型 SSB 的通用方案，其中總結了用於最相關電池配置的各種潛在材料。我們假設——根據之前的分析——陰極將決定面積容量和比能量（以及能量密度）。隔膜需要儘可能薄，只要它仍然保持其功能。一旦可以應用高容量陽極，陽極也將相對較薄，而陰極將主導電池設計。固態電極複合材料的適當功能是 SSB 概念成功的關鍵。隨著鋰的提取和結合，以及（大部分）過渡金屬離子的還原和氧化，活性材料在電池循環過程中膨脹和收縮。即使是很小的體積變化也會導致活性材料顆粒和 SE 顆粒之間的巨大應變和相應的局部應力。儘管氧化物基 SSB 的體積變化問題較小，但在性能良好的硫化物基 SSB 中，需要考慮離子導體和活性材料之間粒子接觸的要求，因為任何化學機械體積變化都會產生嚴重的局部反響。
事實上，由於活性材料的體積變化導致的接觸損失和微觀結構開裂是需要外部壓力（堆疊壓力）以確保具有陶瓷 SE的 SSB 連續運行的主要原因。電池組為電池堆積壓力力提供了嚴格的上限，這是成功設計 SSB 電池的最關鍵限制之一。
圖 1 |廣義鋰 SSB 電池概念。當今與陽極、SE 和陰極最相關的材料，表明它們在能量密度和功率密度方面對電池性能的主要影響。
二、對設計的高性能固態電解質的需求
目前的 LIB 使用鋰離子電導率約為每厘米幾毫西門子的液體電解質 (LE)，對 SSB 的興趣和研究重點的強勁增長源於最近的成就推動SEs的離子電導率甚至超過了這個極限。硫化物快離子導體的發展，如 Li10GeP2S12 (LGPS) 及其衍生物，以及鋰銀輝石 Li6(P,Sb)S5X（X = 鹵素），都顯示出大於 1 mS cm-1 的離子電導率。基於氧化物的鋰 SE 通常限於低於 1 mS cm-1 的電導率，機械剛度和需要燒結以實現良好接觸仍然是它們的主要缺點。因此，涉及氧化物和液態聚合物電解質的混合概念似乎是一個可能的方向。此外，含有低水平液體的分散聚合物基電解質也可能是一種合理的替代方案。硫代磷酸鋰非常高的離子電導率及其低機械模量是硫化物基複合材料在室溫操作 SSB 開發中發揮主導作用的主要原因。
圖 2 |固態陰極複合材料中的曲折效應。a，測量的部分鋰離子電導率σeff和評估的曲折因子κ作為SE重量分數的函數，最終與體積分數ε相關。b，與具有 LE 的 LIB 正極相比，SSB 正極複合材料具有更高曲折度的示意圖。
顯然，當前這一代的鋰導電無機 SE 引領了 SSB 研究的曙光。然而，每厘米幾毫西門子的電導率真的就足夠了嗎，僅僅因為它與 LE 的電導率相當？考慮到8-10 mS cm-1 是LE的典型總電導率，並且最多對應於 4-5 mS cm-1 的鋰離子電導率，即使假設相當高的鋰遷移數為 0.5。考慮到電極的微觀結構，電解質的可比電導率的目標似乎存在根本性缺陷。與包含 SE、CAM 顆粒和剩餘孔隙的物理混合物的固態複合材料相比，具有 LE 的多孔電極中 CAM 的三維微結構本質上與較低的曲折度相關。
由於更高的曲折度反映了固態離子的更長路徑，因此需要更快的離子傳輸才能與 LE 基陰極中的鋰離子傳輸相媲美。這種效果如圖 2b 所示。雖然 LE 在多孔電極結構中滲透良好，但在固態複合材料的微觀結構中，活性材料、SE、粘結劑、導電添加劑和剩餘的孔隙都作為附加成分。這些阻礙了滲透離子傳導網絡的形成，尤其是在低 SE 分數下，並且包括電阻異質性，如晶界。重要的一點甚至可能是，改變不同的成分也會影響孔徑和孔分布，進而嚴重影響多孔微觀結構。因此，滲透閾值和影響（例如曲折度和粒度分布）對性能產生重大影響——這一點越來越受到關注。
對於具有高能量密度電池的商業設備實施，需要厚電極配置。例如，假設大於 7 mAh cm–2 的高面積負載，對應於超過 100 μm 的電極厚度，7 mA cm–2 的電流負載僅在有效離子電導率至少為 10 mS cm–1時才符合實際。假設鋰金屬陽極為 30 μm，隔膜為 20 μm，CAM 體積分數為 70%，那麼該電池對應的能量密度為 1,443 Wh l-1，比能量為 435 Wh kg-1。
時至今日，只有少數鋰 SE 在室溫下達到 10 mS cm-1 的離子電導率，即高度取代的鋰銀輝石 Li6(P/Sb)S5(Cl/Br/I)和 Li10GeP2S12 及其衍生物。目前還不清楚有多少其他材料類別可以超過這個所需的較低電導率限制，特別是考慮到需要 10 mS cm-1 的有效電導率而不是 SE 的離子電導率。未來的努力必須側重於在電池中實現每厘米幾毫西門子的有效離子電導率，以獲得能夠在實際負載和電流密度下運行的 SSB，否則必須接受在高溫下運行。這些努力不僅應包括反覆試驗，還可能需要機器學習或高通量篩選工作的幫助，以改進當前的 SE，並可能識別出未來可能具有潛力的未知或被忽視的材料。總的來說，當引入新的或改變的複合概念時，需要測量有效的離子傳輸。
除了達到離子電導率極限外，研究人員還需要考慮材料在潛在應用中的成本。儘管由於涉及供需、合成和生產等因素，通常很難衡量一種材料的最終價格，但使用資源關鍵元素肯定會存在成本風險。最近，大多數改進是在 SE 中使用 Ge 實現的，並且由於銦和稀土元素，使用 Li3InCl6 或 Li3ErCl6 作為硫磷酸鹽陰極電解液的完全替代品的價格值得懷疑。此外，還原的不穩定性可能會排除這些鋰金屬鹵化物的一般適用性。
一般來說，與 LEs 相比，無機 SEs 中鋰的高摩爾濃度以及聚合物 SEs 中較小程度的鋰摩爾濃度將產生成本影響。圖 3 顯示了相關的電解質及其離子遷移率作為載流子密度（即鋰離子密度）的函數，這在以前很少被考慮到。
雖然 LE 表現出高鋰離子遷移率和每單位體積的低鋰含量，但硫化物 SE 需要最多兩個數量級的鋰才能實現高離子電導率。基於氧化物的 SE 在載流子密度過高時缺乏流動性，如果離子遷移率可以進一步提高兩個數量級，則聚合物 SE 可能會成為使用較少鋰的良好折衷方案。因此，降低鋰含量變得很重要，因為無機 SE 和 CAM 具有非常相似的鋰離子密度，因此 SE 中鋰的比例與 SE 的體積分數成比例。這意味著無機 SE 需要陰極複合材料中大約 25% 的鋰。由於 SE 也需要用作隔膜材料，因此 SSB 中總共約有 40% 的鋰被用於 SE。
範式的改變可能不是通過增加鋰的濃度來設計離子導體，而是通過定製已知材料。例如，這可以基於結構-運輸相關性、改變陰離子框架的鍵合和極化率，或者簡單地通過調整加工條件或在多成分空間中工作來進行。
此外，尋找具有本質上更高離子遷移率以及低載流子密度的新型材料似乎是未來可行的選擇。
圖 3 |基於鋰含量的 SE 分類。鋰離子電導率是離子遷移率、電荷和離子濃度（作為離子載流子密度）的產物。
對高性能負極的需求雖然正極由於其相對較低的比容量和相應的厚正極需求而在很大程度上控制了 SSB 的比能，但很明顯，如果高容量負極具有使用低電位。對容量衰減較小的快速充電的需求還要求這些陽極允許可逆的高速率操作。請記住，限制 LIBs 充電速率的是石墨陽極。最明顯的選擇是鋰金屬陽極或矽基陽極。兩者在充電/放電過程中都顯示出巨大的體積變化，因此它們的使用顯然取決於關鍵機械問題以及許多其他問題的解決方案。
鋰金屬陽極的可靠、可逆和安全運行要求我們克服在 SE 隔膜界面鋰金屬電鍍和剝離過程中固有形態不穩定性引起的潛在問題。最近的工作有助於更深入地了解枝晶的形成和生長以及剝離過程中的孔隙形成（圖 4）。儘管如此，大多數研究中的堆積壓力仍然過高，目標壓力必須低於 0.1 MPa 才能滿足與 LIB 相同的堆積壓力。儘管 Li7La3Zr2O12 (LLZO) 似乎確實可以在足夠高的電流密度和相對較低的堆積壓力下無枝晶運行，但仍然沒有可用的長期和大面積運行的公開證據。
硫代磷酸鋰 SE 存在固態電解質界面 (SEI) 形成和枝晶生長。儘管實驗室規模的研究表明，不斷增長的中界面的性質可以是自我限制的，但未來的工作仍需證明硫磷酸鹽是否可以安全地用作隔膜材料。通常，所謂的臨界電流密度被用作鋰金屬陽極長期穩定運行的描述符。臨界電流密度應該代表在沒有陽極不穩定危險的情況下運行的上限，但它取決於大量的材料特性和實驗變量，例如，先前電鍍-剝離步驟的順序。它是一種依賴於過程的可觀察量，很少可以針對不同的電極和實驗方案進行比較。我們得出的結論是，它很難用作可靠比較不同陽極概念的適當指標，並且仍然需要開發更好的報告。
如果使用形態穩定的主體結構或支架可以足夠快地吸收和釋放鋰，則可以克服純鋰陽極的形態（孔隙和枝晶）問題，但這是以降低比能量為代價的。最近發表的 Li-LLZO 複合負極的理論估計，表明容量優勢很容易喪失，因為 LLZO 具有高密度。
微孔碳或鋰碳複合材料可能是一種替代方案，但到目前為止，還沒有這種陽極概念被證明是優越的。將鋰合金化並使用具有廣泛鋰溶解度範圍的固溶體陽極是第二種選擇，並且在矽的情況下特別有趣，儘管形態發生變化，但高達 5 mA cm-2 的高電流密度似乎可能在室溫下進行。
為了使 SSB 能夠在比能量和功率方面與 LIB 競爭，開發具有高比容量和絕對容量的高倍率鋰或矽陽極（理想情況下是無儲層金屬陽極）將是決定性的。業界最近聲稱這一目標已經實現，這確實將成為通往性能卓越的 SSB 道路上的主要遊戲規則改變者。
三、穩定的界面、界面和塗層
圖 4 |鋰金屬負極的關鍵問題。a，在充電和電流聚焦過程中，絲狀和枝晶的形成導致短路。b，放電過程中孔隙和空隙的形成導致後續電鍍過程中的收縮阻力和枝晶生長。c，鋰金屬和不同 SE 之間的界面生長，顯示出熱力學穩定運行，例如 LLZO（左）、動力學不穩定運行（中）和動力學穩定運行（右）。
先進的陽極和陰極材料的廣泛潛力範圍為 SEs 的穩定性提供了與 LEs相似的問題。例如，硫代磷酸鋰在 CAM 以及陽極處的化學和電化學不穩定性仍然是性能隨時間衰減的主要因素。在化學上，SE 很容易與活性材料發生反應，並且在高電位或低電位下會分解，從而導致有害的電阻界面，這些界面本身通常似乎具有氧化還原活性。最近的工作進一步表明，在與硫化物 SE 接觸的鋰金屬陽極上生長的 SEI 的厚度被嚴重低估（一般情況見圖 4c），這進一步挑戰了對保護概念的需求。然而，儘管分解反應對任何技術都具有挑戰性，但有望通過界面或界面的化學設計方法來緩解這些問題。
圖 5 | SSB 中已知的界面相關問題和潛在的解決方案。從左起：陽極界面、隔膜-陰極異離子界面、陰極界面和潛在的緩解策略。SLEI，固態液體電解質界面。CEI，陰極電解質界面。
最近的工作使用 CAM 上的塗層來防止或至少減緩分解反應。近年來，諸如 LiNbO3 或 Li2ZrO3 之類的塗層非常成功。儘管看起來這些電子絕緣塗層會導致電位下降並部分保護 SE，但仍觀察到相互擴散和化學分解。缺乏對塗層功能、塗層材料特性、理想塗層程序以及最終長期穩定性的機械理解。特別是，在電解質和塗層以及塗層和活性材料之間引入新的界面增加了額外的複雜性。電阻塗層可能需要導電添加劑，儘管它們目前具有不利影響。需要塗層作為保護概念，並且需要特別注意在開發階段獲得更好的基本理解。
提高陰極/SE 或陽極/SE 界面長期穩定性的其他選擇是設計形成界面，並考慮以下問題。首先，是否有可能設計一種 SE 或添加劑，使形成的界面表現出動力學穩定的有益傳輸特性，即不生長的界面層以及低界面阻抗？可以減輕離子曲折問題的液體添加劑是否會損害長期穩定性？另外，是否可以對具有合理動力學穩定性窗口的材料進行理論指導的探索？目前的工作探索了熱力學不穩定性，但很少有人回答分解產物是否能在動力學上導致穩定的分解界面的問題。
四、鋰是必須的嗎？
減少 SE 中的 Li 含量似乎很重要，但最終只會對整體 Li 臨界度做出很小的貢獻，因為仍然需要正極和負極材料。事實上，推動鈉離子電池發展的相同潛在好處，即替代鋰和過渡金屬，如鈷和鎳，證明了對鈉基 SSB 的研究是合理的。據報導，為理解和開發 SE 中的鈉離子傳輸做出了各種努力，實際上，與 Li+ 相比，極化程度較低的 Na+ 離子可以獲得更高的離子電導率。儘管如此，氧化物 SE 仍然面臨著燒結的挑戰，並且與鋰類似物相比，硫代磷酸鋰類在鈉金屬陽極處的分解速度要快得多。
到目前為止，即將推出的鹵化鈉在離子傳輸方面沒有競爭力；然而，電池操作是可能的。此外，CAM 和陰極電解液之間會發生強烈的分解反應，這限制了大多數關於使用 NaCrO2 的報導，並且仍然需要更好的 CAM 用於鈉 SSB。在開發和理解硼氫酸鹽電解質（例如 Na2B10H10 及其衍生物）方面正在取得有希望的進展。據報導，快速離子電導率以及對電極的優異電化學穩定性。總的來說，儘管它們提供了許多好處，但在用 CAM 塗層保護 SE 以及尋找和啟用高性能陽極以真正提供有競爭力的替代品方面，鈉 SSB 的開發需要加強。事實上，首先需要找到理想的組成來實現潛在能量和功率密度的定量分析，以便與鋰離子 SSB 進行比較。
五、替代陰極材料
迄今為止，大多數關於 SSB 中 CAM 的實驗報告都集中在鎳鈷錳氧化物 (NCM) 上。然而，尖晶石型甚至富鋰 CAM 在電池中提供更高的潛力，需要被視為電池組件。SE 會發生嚴重的化學反應，但無論如何都需要開發塗層，因此通過先進的正極材料直接提高能量密度可能是值得的。然而，LiFePO4 等 CAM 很少用於硫化物 SSB，主要用於聚合物 SSB。鑑於 NCM-硫化物 SE 複合材料分解的驅動力主要是磷酸根離子的形成能，這一事實可能會發生很大變化，而磷酸根離子已經存在於 LiFePO4 中。通過在 SSB 中使用轉換氧化還原材料（例如硫），實現了真正有前途的電池性能。當然，較低的充電電位是一個限制；然而，較低的充電電位可防止 SE 的電化學分解，並獲得接近 S 至 Li2S 轉化理論容量的循環容量。然而，Li-S SSB 中存在非常相似的挑戰並限制了它們目前的適用性。
首先，陰極複合材料不僅由 SE 和活性材料組成，而且還需要顯著體積分數的碳以提供足夠的電子導電性。由於電化學反應將發生在 SE、S 和 C 的三相界面，複合材料內的微觀結構和快速離子傳輸變得比基於插層的 SSB 更為重要，否則反應動力學緩慢會限制性能。其次，當 S 轉化為 Li2S 時，由於體積變化很大，化學力學挑戰更加嚴峻。儘管如此，對於優化的 Li-S SSB，預計重量能量密度超過 800 Wh kg-1 似乎是可以實現的。具有潛在影響的陰極材料可以擴展到硫化銅或硫化鐵，或使用過渡金屬添加劑，到目前為止，所有這些材料看起來都很有前途。然而，雖然它們的局限性尚未得到充分探索，但像 Solid Power 這樣的公司正在尋求一種更可持續的基於黃鐵礦的 SSB 的方法。
最近，在硫轉化中使用鈉的可能性引起了人們的關注，因為 S 完全轉化為 Na2S 的反應是可能的，理論容量為 1,675 mAh g-1，高於 558 mAh g-1 的理論容量高溫鈉硫電池。當然，未來幾年可以預期在 SSB 的轉換陰極化學方向上進行更多的研究和開發。
六、從全固態到幾乎固態的混合電池概念
顯然，LIB 可以使用單一優化的 LE 運行，該 LE 是化合物的混合物，包含支持在陽極和陰極形成穩定界面和/或界面的添加劑。成功的固態電池概念很可能依賴於至少兩個 SE 的組合，或者依賴於「混合」電池概念中 SE 和液體或凝膠聚合物電解質的組合。為了實現低溫和室溫操作，似乎需要將硫代磷酸鋰 SE 用作真正的 SSB 電池中的陰極電解質。一旦鋰金屬陽極上的枝晶形成不能被與隔膜材料相同的 SE 抑制，則必須使用聚合物或氧化物 SE 作為隔膜。
這些考慮表明，在從 LIB 到真正的 SSB 的過程中存在廣泛的中間概念，其中存在將硫化物與聚合物或氧化物結合的不同選擇，這導致了層狀雜化概念甚至真正的三維混合。很可能是固態/固態界面處的體積變化和接觸損失的化學機械問題需要一小部分 LE 充當局部接觸「代理」，甚至可能是界面形成器。事實上，僅包含固態成分的 SSB 電池不一定是合理的目標。如果一小部分低粘度添加劑有助於形成更好的界面和界面，以及減少孔隙率和高曲折路徑，那麼幾乎固態電池（從全固態到幾乎固態）的整體優勢是潛在的與真正的全固態電池相提並論，如果不是更好的話。然而，混合系統中的新界面是否長期穩定是一個懸而未決的問題，以及混合是否會損害安全性。
鑑於加工困難，例如液體溶劑中的硫化物 SE，混合系統最終可能會出現化學不穩定性。絕對需要深入研究以提供現實的評估。
七、生產和成本
SSB 電池本身的設計，需要具有成本效益的工業材料加工和電池製造。雖然關於 SSB 的學術研究仍然集中在需要高堆疊壓力以緩解上述化學機械問題的壓制顆粒型電池上，但器件實現需要軟包電池並提供雙極堆疊電池的選擇。煙囪壓力需要最小化，這似乎可以使用混合固液方法。對於設備生產，理想情況下，現有的處理方法將用於從 LIB 生成更平滑的過渡。因此，複合陰極需要在漿料中進行干法或濕法處理，並且需要考慮溶劑和粘結劑的相互作用。
此外，價格、廢物、沸點（去除溶劑）或粘度（用於輸送機或攪拌器）以及毒性等工業問題也是需要考慮的重要參數。在這裡，鹵化物 SE 可能最終具有優勢，因為它們似乎可以進行水處理；儘管如此，元素的成本和迄今為止的低離子電導率仍然是一個主要缺點，而且界面分解似乎仍在發生。SE 合成的升級是進一步的要求，研磨或溶液路線可能是最好的方法，但前體的臨界性和價格仍然需要現實地確定。
全 SSB 可能帶來成本優勢，因為不需要昂貴的步驟，例如電解質滲透和形成。總體而言，需要探索和引導 SSB 的成本優勢。在這方面，雙極堆疊通常被認為是未來 SSB 的主要電池結構優勢，因為它似乎提供了更簡單的內部電池設計和更少的電池堆外部電流引導連接，從而提高了能量密度。然而，在實踐中，這個概念也有一些缺點。不對稱電極片（每一側的陽極或陰極）的生產需要更多的努力。更關鍵的是，每個單體電池的老化速度都會略有不同，這將導致電池電壓的差異越來越大，並導致對所有單體電池進行必要的控制。我們認為雙極堆疊在未來需要更仔細和批判性的評估，因為目前認為它過於樂觀。
最後，為了長期的可持續性，SSB 的回收需要得到全面發展。為各種類型的 SE 開發了創新的回收途徑；然而，到目前為止，大規模實施是值得懷疑的，特別是考慮到目標產物成本、性能下降或更簡單的問題，如混合固態電解質和混合電池等分離組件方面的未知數。有必要深入開展這些工作。此外，我們需要牢記回收目標，以便我們可以為以後的回收過程設計 SE 成分。
八、多樣性是關鍵
SSB 的研究和開發在過去幾年中取得了巨大的增長和步伐，並且對 SSB 當前的局限性有了更深入的了解。儘管這種更好的基本理解有助於推進可能成功的電池概念，但仍然需要回答和解決未來大規模生產 SSB 電池的一些老問題和新問題和挑戰。圖 5 顯示了這些現在已知的問題和潛在的緩解策略。
首先，需要具有低 SE 分數的厚陰極結構才能獲得相當高的能量密度。複合材料中有效電導率大於 10 mS cm-1 的 SE 需要在具有複雜微結構（還包含粘結劑、導電劑和孔隙）的陰極複合材料中實現快速倍率。一旦完全固態的陰極無法達到所需的性能或長期運行，可以採用混合電解質甚至 LE 作為陰極電解液。
一旦動力學在室溫下不充分，在略微升高的溫度下運行可能是某些應用領域的一種選擇——可能不適用於電動汽車。
其次，高性能陽極至關重要。鋰金屬陽極和 SE 之間界面處的枝晶生長、孔隙形成和分解反應仍然是高電流密度和快速充放電應用的主要挑戰。
儘管有明確的承諾，但仍缺乏長期穩定和大面積鋰金屬陽極的最終證據。鋰金屬負極不再是唯一的競爭者，矽電極已進入 SSB 階段，引發了一系列新問題，例如 Si/SE 界面的 SE 穩定性。
第三，需要共同努力降低 SE 中的鋰含量以及尋找元素臨界性較低的成分，以及用於複合路線製備的化學方法，以便在未來幾年讓 SSB 切實取代 LIB。
儘管這些挑戰可能看起來很關鍵，但不應忘記 SSB 電池可能允許更有效的電池組構造。最近的發展表明，基於 LiFePO4 的 LIB 可以更密集地封裝，最多可占據封裝體積的 90%，而基於 NCM 的電池需要更好的冷卻並實現更少的封裝填充，這降低了 NCM 材料的優勢高比容量。我們預計優化後的 SSB 電池組也可以從 SSB 電池的更寬溫度窗口中獲益。
第四，SSB 通常被認為比 LIB 更安全。然而，是否存在更高的安全性仍需要明確證明，因為短路、使用有毒的 SE 甚至電解質的液體部分滲濾到陽極都可能提供額外的安全風險。更重要的是，最近的工作表明 Li6PS5Cl–NCM 複合材料在 150 °C 以上時會發生自燃和熱失控。似乎已經受到青睞的化學分解途徑在高溫下變得非常受歡迎，這在使用 LiFePO4 作為 CAM 時是看不到的。顯然，需要更深入地研究熱電池管理和熱失控的相關安全風險。安全問題可能與 LIB 不同，但如果沒有為 SSB 制定安全測試標準，則無法得出最終結論。
第五，對於像 SSBs 這樣包含微觀結構問題、化學問題、電化學問題、處理交付以及在某種程度上仍然未知的基礎傳輸物理學的領域，重要的是將其他學科的原理引入該領域並歡迎進入研究人員。要真正發揮 SSB 的潛力，方法的多樣性，而不僅僅是材料，是全面發展的關鍵。該領域需要更多來自物理學、數學、計算機科學、化學和工程學的研究人員。總體而言，成功的 SSB 開發將需要更多努力來標準化實驗單元設置和更接近實際條件的程序。
最後，我們相信 SSB 將取得商業上的成功，但這是否意味著在特定領域的應用或大眾市場上取得成功尚無定論。
Challenges in speeding up solid-state battery development
Nature Energy ( IF 67.439 ) Pub Date : 2023-02-23 , DOI: 10.1038/s41560-023-01208-9
Jürgen Janek, Wolfgang G. Zeier
通訊作者：Jürgen Janek, Wolfgang G. Zeier
通訊單位：德國吉森大學，明斯特大學